CN109948294B - 一种隧道极限位移的确定方法 - Google Patents
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Abstract
一种隧道极限位移的确定方法，包括建立有限元数值模型；确定围岩主要力学参数；隧址区地应力采用自重地应力场；确定关键监测点；模拟开挖与支护过程；校核模型合理性；将围岩强度除以折减系数，模拟开挖与支护过程；若计算未达到停止条件，则返回上一步并将折减系数增大，直至达到停止条件；提取达到停止条件的前一个折减步的关键点位移；将所得的关键点位移乘以可量测系数作为隧道极限位移，供监控量测预警使用。本发明通过围岩强度折减获得隧道围岩的极限状态和极限位移，易操作、可靠，成本低，能考虑隧道断面型式、埋深、施工工序与支护结构等因素对隧道极限位移的影响，为研究隧道极限位移和建立监控量测预警标准提供了必要的技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种隧道极限位移的确定方法，属于隧道监控量测技术领域。
背景技术
在隧道工程施工过程中所进行的围岩变形监控量测，是新奥法隧道施工技术的重要组成部分。隧道围岩变形监测成果，不仅可用于反馈修正支护参数，而且对于评价围岩稳定性、保障现场人员与设备的安全具有重要意义。以隧道围岩位移为判据的隧道围岩稳定性分析，是将现场量测的围岩位移量和某一极限位移的比较来进行隧道围岩稳定性的判别，其关键和难点是隧道围岩及支护系统极限位移的确定。当前，隧道极限位移的确定方法主要有理论分析、现场调查和室内试验等。然而，以上各方法均存在一定局限性：理论分析需要对隧道的断面、地质条件等因素进行简化，难以考虑非圆形断面、复杂地质条件和具体施工方法对隧道极限位移的影响；现场调查需要统计隧道破坏状态下的实际量测资料，但破坏状态的隧道监控量测资料极难收集；隧道现场破坏试验和室内模型试验是获得隧道极限位移较为可靠的方法，但这些试验造价昂贵，受制于成本因素难以多次开展，仅能针对某些典型的围岩状态、断面形状、支护型式和施工方法等条件开展研究，其成果难以适用于隧道现场的真实情况。因此，发明一种能考虑隧道实际断面、围岩状态和施工条件的极限位移确定方法，具有重大的理论价值和工程实践意义。
发明人检索到以下相关专利文献：CN102221334A公开了一种用于隧道工程中准确测量围岩内部位移的方法，利用多点位移计得到围岩内部的位移值，利用全站型电子速测仪，测量多点位移计孔口测读装置处与隧道中线的水平角，测量多点位移计孔口测读装置处与全站仪的平距；得到多点位移计孔口测读装置处相对于隧道中线的位移值；在计算围岩内部位移时用多点位移计的测量值减去多点位移计孔口测读装置处的位移值，得到准确的围岩内部位移值。CN104142135A公开了一种基于无线倾角传感器的隧道水平位移的监测方法及装置，所述的方法包括以下步骤：(1)沿盾构隧道纵向在隧道侧壁上布设管道，并每间隔一定距离将管道与隧道侧壁相同高度处固定连接；(2)监测小车在管道内向前运动，每运行一定距离监测小车对小车所处位置相对于垂直面的倾角进行测量，并将测量到的倾角数据采用无线传输方式传送至远程数据分析站；(3)远程数据分析站对接收到的倾角数据分析处理，得出隧道纵向水平位移曲线。
以上技术对于如何使隧道极限位移的确定方法做到能实现考虑隧道实际断面、围岩状态、支护结构和施工工序下的隧道极限位移的确定，进而可帮助建立隧道变形预警机制，并未给出具体的指导方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种隧道极限位移的确定方法，该方法简单实用，能考虑到隧道实际断面、围岩状态、支护结构和施工工序等条件对隧道极限位移的影响，有助于完善隧道变形预警机制，从而保障隧道施工过程中现场人员与设备的安全。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种隧道极限位移的确定方法，其特征在于它包括如下工艺步骤：前期准备：首先收集隧道的勘察设计资料，包括隧道工程地质勘察报告、隧道支护设计图纸、隧道施工前期或附近隧道的监控量测资料以及相关的参考工具书、文献等。①根据隧址区工程地质情况和隧道支护情况(设计资料)，并考虑计算时间成本、计算精度和计算机计算能力等因素，建立有限元数值计算模型；②根据隧道前期围岩变形已测得的数据(资料)，反分析求得围岩力学参数；③隧址区地应力(一般可)采用自重地应力场，若隧道埋深较大，地应力受构造应力影响较大，应根据地应力实测数据(资料)，进行隧址区地应力反演(工作)，所述地应力反演方法，以实际测点的实测地应力值为基本依据，采用多元回归与逐步回归相结合的方法，对隧址区进行三维地应力反演，具体的反演过程如下：(I)按自重、水平剪切力、x轴方向作用于模型边界上的构造力与y轴方向作用于模型边界上的构造力等四种荷载因素考虑，通过对上述各荷载模式进行三维数值计算，获得用于回归分析的计算应力数据，即数值试验观测值；(II)以下式：
作为各应力分量
回归方程，其中，下标w、x、y、τ分别代表上述四种荷载因素，e代表误差，a、b、c、d为待回归系数，(III)依据实测点的地应力，通过逐步回归计算剔除对反演结果影响不显著的荷载模式，并得出回归系数值及复相关系数，复相关系数应≥0.9；④确定隧道位移监测关键点：中小跨径隧道选拱顶沉降关键点与边墙收敛关键点，大跨径隧道或复杂地质条件隧道选拱顶沉降关键点与边墙收敛关键点之外最好再增加关键点；⑤采用有限元计算软件，模拟隧道开挖与支护全过程；⑥校核所建立的数值模型的准确性(合理性)，具体方法为：若步骤⑤计算能够收敛，且典型断面的位移等值线云图连续无间断跳跃点，且应力等值线云图均匀无应力集中点，则应判定步骤①所建立的数值模型具有准确性，否则应该重新回到步骤①调整模型尺寸、单元大小与类型，并重复步骤⑤；⑦将围岩的强度参数即粘聚力c和内摩擦角
除以大于1的折减系数η，重新进行模拟隧道开挖与支护施工过程的有限元计算；⑧若计算达到停止条件，则停止计算，否则回到上一步，并更新折减系数η，计算停止条件是指计算不收敛或关键点位移与折减系数相关关系曲线出现拐点，此时的折减系数定义为临界折减系数。为减少折减计算次数，以快速达到计算停止条件，采用“二分法”计算寻找临界折减系数，采用“二分法”计算临界折减系数的具体步骤如下：(I)根据经验或实际计算结果设定一个较小初始折减系数η1和一个较大的折减系数η2，在折减系数η1下计算是收敛的，在折减系数η2下计算是不收敛的；(II)令η取η3＝(η1+η2)/2，计算该工况下是否已收敛；(III)若η取η3时计算收敛，则令η1＝η3；否则令η2＝η3；(IV)当η1-η2≤0.05时，停止计算，并取此时的η1作为临界折减系数，否则回到“二分法”中的第II步继续计算；⑨若围岩强度参数经N次折减，折减系数达到临界折减系数，则第N-1次折减时的计算结果为隧道围岩稳定的极限状态，即隧道(围岩)变形的极限状态；⑩隧道极限位移应为计算所得隧道变形极限状态各关键点位移与可量测系数的乘积，即提取各关键点位移并乘以可量测系数作为极限位移，供监测量测预警使用，可量测系数ε的计算方法为：ε＝(Sa-S0)/Sa，其中S0是指隧道开挖后至隧道初期支护完成期间监控量测无法测得的隧道的变形，Sa为隧道总变形。
上述技术方案中，优选的技术方案可以是，所述步骤②中反分析求得围岩力学参数的具体步骤如下：(I)基于正交试验法，设定参数样本组；(II)并对每组样本进行数值计算，进而形成学习样本供BP神经网络学习训练，从而建立能够预测不同参数下隧道围岩位移的BP神经网络；(III)以预测值与实测值的之差的平方和为目标函数，采用遗传算法，对待反演参数在其搜索空间内进行全局寻优，从而得到与实测隧道围岩位移最吻合的围岩力学参数。上述步骤④在确定隧道位移监测关键点时，对于大跨径隧道或复杂地质条件隧道还应再增加关键点。上述步骤⑤中，模拟隧道开挖与支护全过程的具体步骤为：首先计算原始地应力环境，之后将位移清零，按照设计图纸模拟开挖，并施加初期支护结构，计算直至收敛。上述步骤⑨中，通过围岩强度折减获得围岩稳定的极限状态，并据此获得围岩变形极限状态。上述步骤⑩中，根据相关文献和经验，可量测系数ε可取0.67～0.9。
本发明提供了一种隧道极限位移的确定方法，其主要实现过程为：隧道相关技术资料收集；建立有限元数值模型；确定围岩主要力学参数；隧址区地应力采用自重地应力场；确定关键监测点；模拟开挖与支护过程；校核模型合理性；将围岩强度除以折减系数，并模拟开挖与支护过程；若计算未达到停止条件，则返回上一步(第7步)并将折减系数增大，直至达到停止条件；提取达到停止条件的前一个折减步的关键点位移；将第8步所得的关键点位移乘以可量测系数作为隧道极限位移，供监控量测预警使用。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明基于极限分析有限元理论，通过围岩强度折减获得隧道围岩的极限状态和极限位移，方法容易操作、可靠，经济成本低，适用范围广，能考虑隧道断面型式、埋深、施工工序与支护结构等因素对隧道极限位移的影响，为研究隧道极限位移和建立监控量测预警标准提供了必要的技术支撑。
附图说明
图1为本发明实施例的隧道围岩结构有限元模型图。
图2为隧道位移监测的关键点示意图。
图3为本发明实施例的现场监控量测结果图(成果图，关键点1的变形实测曲线)。
图4为本发明实施例的现场监控量测结果图(成果图，关键点2与关键点3的相对收敛变形实测曲线)。
图5为隧道极限位移确定方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：本发明的隧道极限位移的确定方法包括如下工艺步骤：前期准备：首先收集隧道的勘察设计资料，包括隧道工程地质勘察报告、隧道支护设计图纸、隧道施工前期或附近隧道的监控量测资料以及相关的参考工具书、文献等。
①根据隧址区工程地质情况和隧道支护情况(设计资料)，并考虑计算时间成本、计算精度和计算机计算能力等因素，建立有限元数值计算模型。
②根据隧道前期围岩变形已测得的数据(资料)，反分析求得围岩力学参数，具体步骤如下：(I)基于正交试验法，设定参数样本组；(II)并对每组样本进行数值计算，进而形成学习样本供BP神经网络学习训练，从而建立能够预测不同参数下隧道围岩位移的BP神经网络；(III)以预测值与实测值的之差的平方和为目标函数，采用遗传算法，对待反演参数在其搜索空间内进行全局寻优，从而得到与实测隧道围岩位移最吻合的围岩力学参数。
③隧址区地应力(一般可)采用自重地应力场，若隧道埋深较大，地应力受构造应力影响较大，应根据地应力实测数据(资料)，进行隧址区地应力反演工作。所述地应力反演方法，以实际测点的实测地应力值为基本依据，采用多元回归与逐步回归相结合的方法，对隧址区进行三维地应力反演，具体的反演过程如下：(I)按自重、水平剪切力、x轴方向作用于模型边界上的构造力与y轴方向作用于模型边界上的构造力等四种荷载因素考虑，通过对上述各荷载模式进行三维数值计算，获得用于回归分析的计算应力数据，即数值试验观测值；(II)以下式：
作为各应力分量
回归方程，其中，下标w、x、y、τ分别代表上述四种荷载因素，e代表误差，a、b、c、d为待回归系数，(III)依据实测点的地应力，通过逐步回归计算剔除对反演结果影响不显著的荷载模式，并得出回归系数值及复相关系数，复相关系数一般应≥0.9(取1)。
④确定隧道位移监测关键点：中小跨径隧道选拱顶沉降关键点与边墙收敛关键点。大跨径隧道或复杂地质条件隧道除上述关键点外，还可增加关键点。
⑤采用有限元计算软件，模拟隧道开挖与支护全过程，具体步骤为：首先计算原始地应力环境，之后将位移清零，按照设计图纸模拟开挖，并施加初期支护结构，计算直至收敛。
⑥校核所建立的数值模型的准确性(合理性)，具体方法为：若步骤⑤计算能够收敛，且典型断面的位移等值线云图连续无间断跳跃点，且应力等值线云图均匀无应力集中点，则应判定步骤①所建立的数值模型具有准确性，否则应该重新回到步骤①调整模型尺寸、单元大小与类型，并重复步骤⑤。
⑦将围岩的强度参数即粘聚力c和内摩擦角
除以大于1的折减系数η，重新进行模拟隧道开挖与支护施工过程的有限元计算。
⑧若计算达到停止条件，则停止计算，否则回到上一步，并更新折减系数η，计算停止条件是指计算不收敛或关键点位移与折减系数相关关系曲线出现拐点，此时的折减系数定义为临界折减系数。为减少折减计算次数，以快速达到计算停止条件，采用“二分法”计算寻找临界折减系数，采用“二分法”计算临界折减系数的具体步骤如下：(I)根据经验或实际计算结果设定一个较小初始折减系数η1和一个较大的折减系数η2，在折减系数η1下计算是收敛的，在折减系数η2下计算是不收敛的；(II)令η取η3＝(η1+η2)/2，计算该工况下是否已收敛；(III)若η取η3时计算收敛，则令η1＝η3；否则令η2＝η3；(IV)当η1-η2≤0.05时，停止计算，并取此时的η1作为临界折减系数，否则回到“二分法”中的第II步继续计算。
⑨若围岩强度参数经N次折减，折减系数达到临界折减系数，则第N-1次折减时的计算结果为隧道围岩稳定的极限状态，即隧道围岩变形的极限状态。
⑩隧道极限位移应为计算所得隧道极限状态的各关键点位移与可量测系数的乘积，即提取各关键点位移并乘以可量测系数作为极限位移，供监测量测预警使用，可量测系数ε的计算方法为：ε＝(Sa-S0)/Sa，其中S0是指隧道开挖后至隧道初期支护完成期间监控量测无法测得的隧道的变形，Sa为隧道总变形。根据相关文献和经验，可量测系数ε可取0.67～0.9(可取0.80)。
实施例2：以下为本发明更进一步的应用实例。
如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明的隧道极限位移的确定方法包括如下工艺步骤：前期准备：收集了湖北省某隧道的勘察设计资料，包括隧道工程地质勘察报告、隧道支护设计图纸、隧道施工前期监控量测资料和若干参考文献。该隧道围岩岩性为强风化绢云母片岩，岩体极破碎，工程性质较差。选取的典型隧道断面埋深为29.8m。
1)根据隧道的地质情况和支护设计图纸，并考虑计算时间成本、计算精度和计算机计算能力等因素，建立了二维有限元数值计算模型，如图1所示，图1中，附图标记1a为隧道初期支护，附图标记1b为隧道仰拱，附图标记1c为隧道围岩。
2)根据勘察报告和相关参考文献，本构模型选定为摩尔库伦本构模型，依据研究断面之前的隧道监控量测数据反分析计算，求得的围岩力学参数为弹性模量1000MPa，内摩擦角25°，粘聚力0.215MPa，泊松比取经验值0.32。
3)隧址区地应力采用自重地应力场。
4)确定隧道位移监测关键点为拱顶沉降关键点，如图2所示，点1代表拱顶沉降关键点，点2和点3为拱腰收敛变形关键点(边墙收敛关键点)。
5)采用有限元计算软件，首先计算原始地应力环境，之后将位移清零，按照设计图纸模拟开挖，并施加钢拱架与素喷混凝土等初期支护结构，计算直至收敛。
6)校核所建立的数值模型的合理性：经计算，第6步计算能够收敛，且其位移等值线云图连续无间断跳跃点，应力等值线云图均匀无应力集中点，则应判定所建立的数值模型具有合理性。
7)将围岩的强度参数(粘聚力c和内摩擦角
)除以大于1的折减系数η，重新进行模拟隧道开挖与支护施工过程的有限元计算。
8)若计算达到停止条件，则停止计算，否则回到上一步，并更新折减系数η。计算停止条件是指计算不收敛或关键点位移与折减系数相关关系曲线出现拐点。为减少计算次数，以快速达到计算停止条件，采用“二分法”计算寻找临界折减系数。具体步骤如下：(I)设定一个初始折减系数η1＝1.0(在该折减系数系数下，计算是收敛的)和一个较大的折减系数η2＝3.0(该折减系数下计算不收敛)；(II)令η取η3＝(η1+η2)/2＝(1.0+3.0)/2＝2.0，计算该工况下是否已收敛；(III)经计算η取η3时计算收敛，故令η1＝η3＝2.0；(IV)回到第II步，即令当令η取η3＝(η1+η2)/2＝(2.0+3.0)/2＝2.5，继续计算直至η1-η2<＝0.05时，停止计算，当η为2.85时计算不收敛，当η为2.8时计算收敛，故取前一次η＝2.8为临界折减系数。
9)将η＝2.8代入第8步进行计算，所得结果为隧道围岩稳定的极限状态。
10)提取各关键点位移并乘以可量测系数作为极限位移(供监测量测预警使用)，可量测系数ε的计算方法为：ε＝(Sa-S0)/Sa，其中S0是指隧道开挖后至隧道初期支护完成期间监控量测无法测得的隧道的变形，Sa为隧道总变形。根据相关文献和经验，可量测系数ε可取0.67～0.9，本实施例中ε取0.90。计算所得的拱顶沉降极限位移(即关键点1的竖向沉降)为49.5mm，侧墙收敛位移(即关键点2与关键点3的水平位移之差的绝对值)为23.7m。
见图3、图4，图3、图4为现场监控量测结果：该断面的拱顶沉降达到52.7mm侧墙收敛位移达到26.4mm后发生塌方，对比本发明给出的结果与实测结果可知，两者误差在10％以内，证明了本发明方法的可行性与实用性。
综上所述，本发明所提供的隧道极限位移的确定方法简单实用，能考虑到隧道实际断面、围岩状态、支护结构和施工工序等条件对隧道极限位移的影响，有助于完善隧道变形预警机制，从而保障了隧道施工过程中现场人员与设备的安全。
Claims (6)
1.一种隧道极限位移的确定方法，其特征在于它包括如下工艺步骤：
①根据隧址区工程地质情况和隧道支护情况，建立有限元数值计算模型；
②根据隧道围岩变形已测得的数据，反分析求得围岩力学参数；
③隧址区地应力采用自重地应力场，若隧道埋深较大，应根据地应力实测数据，进行隧址区地应力反演，所述地应力反演方法，以实际测点的实测地应力值为基本依据，采用多元回归与逐步回归相结合的方法，对隧址区进行三维地应力反演，具体的反演过程如下：(I)按自重、水平剪切力、x轴方向作用于模型边界上的构造力与y轴方向作用于模型边界上的构造力四种荷载因素考虑，通过对各荷载模式进行三维数值计算，获得用于回归分析的计算应力数据，即数值试验观测值；(II)以下式：
作为各应力分量
回归方程，其中，下标w、x、y、τ分别代表上述四种荷载因素，e代表误差，a、b、c、d为待回归系数，(III)依据实测点的地应力，通过逐步回归计算剔除对反演结果影响不显著的荷载模式，并得出回归系数值及复相关系数，复相关系数应≥0.9；
④确定隧道位移监测关键点：中小跨径隧道选拱顶沉降关键点与边墙收敛关键点，大跨径隧道或复杂地质条件隧道选拱顶沉降关键点与边墙收敛关键点；
⑤采用有限元计算软件，模拟隧道开挖与支护全过程；
⑥校核所建立的数值模型的准确性，具体方法为：若步骤⑤计算能够收敛，且典型断面的位移等值线云图连续无间断跳跃点，且应力等值线云图均匀无应力集中点，则应判定步骤①所建立的数值模型具有准确性，否则应该重新回到步骤①调整模型尺寸、单元大小与类型，并重复步骤⑤；
⑦将围岩的强度参数即粘聚力c和内摩擦角φ除以大于1的折减系数η，重新进行模拟隧道开挖与支护施工过程的有限元计算；
⑧若计算达到停止条件，则停止计算，否则回到上一步，并更新折减系数η，计算停止条件是指计算不收敛或关键点位移与折减系数相关关系曲线出现拐点，此时对应的折减系数为临界折减系数，采用“二分法”计算临界折减系数的具体步骤如下：(I)根据实际计算结果设定一个较小初始折减系数η1和一个较大的折减系数η2，在折减系数η1下计算是收敛的，在折减系数η2下计算是不收敛的；(II)计算η取η3＝(η1+η2)/2工况下是否已收敛；(III)若η取η3时计算收敛，则令η1＝η3；否则令η2＝η3；(IV)当η1-η2≤0.05时，停止计算，并取此时的η1作为临界折减系数，否则回到“二分法”中的第(II)步继续计算；
⑨若围岩强度参数经N次折减，折减系数达到临界折减系数，则第N-1次折减时的计算结果为隧道围岩稳定的极限状态，即隧道围岩变形的极限状态；
⑩隧道极限位移应为计算所得隧道极限状态的各关键点位移与可量测系数的乘积，即提取各关键点位移并乘以可量测系数作为极限位移，供监测量测预警使用，可量测系数ε的计算方法为：ε＝(Sa-S0)/Sa，其中S0是指隧道开挖后至隧道初期支护完成期间监控量测无法测得的隧道的变形，Sa为隧道总变形。
2.根据权利要求1所述的隧道极限位移的确定方法，其特征在于上述步骤②中反分析求得围岩力学参数的具体步骤如下：(I)基于正交试验法，设定参数样本组；(II)并对每组样本进行数值计算，进而形成学习样本供BP神经网络学习训练，从而建立能够预测不同参数下隧道围岩位移的BP神经网络；(III)以预测值与实测值的之差的平方和为目标函数，采用遗传算法，对待反演参数在其搜索空间内进行全局寻优，从而得到与实测隧道围岩位移最吻合的围岩力学参数。
3.根据权利要求1所述的隧道极限位移的确定方法，其特征在于上述步骤④在确定隧道位移监测关键点时，对于大跨径隧道或复杂地质条件隧道还应再增加关键点。
4.根据权利要求1所述的隧道极限位移的确定方法，其特征在于上述步骤⑤中，模拟隧道开挖与支护全过程的具体步骤为：首先计算原始地应力环境，之后将位移清零，按照设计图纸模拟开挖，并施加初期支护结构，计算直至收敛。
5.根据权利要求1所述的隧道极限位移的确定方法，其特征在于上述步骤⑨中，通过围岩强度折减获得围岩稳定的极限状态，并据此获得围岩变形极限状态。
6.根据权利要求1所述的隧道极限位移的确定方法，其特征在于上述步骤⑩中，可量测系数ε取0.67～0.9。
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