位移联图反分方法在雪峰山隧道的应用.doc

位移联图反分析方法在雪峰山隧道的应用 摘 要：初始地应力、围岩弹性模量是在岩体工程设计中两个重要参数，本文采用位移联图反分析法，结合雪峰山隧道具体的施工和监测数据，建立有限元模型对这两个参数进行反分析。在反分析的过程中，对量测的隧道周边变形数据进行了处理，采用适当的方法，考虑了隧道变形的时间效应、空间效应。 关键词：位移反分析法，围岩弹性模量，水平地应力分量 1 引 言 在进行岩体工程的设计和施工时，工程师较关注的是岩体内的原始地应力场和围岩力学参数。为了得到这些参数，人们提出了位移反分析法这个实用的分析方法，所谓的位移反分析法就是根据隧道开挖引起的周边位移来反演地下工程设计所需参数的一种计算方法。从70年代开始，位移反分析法逐步发展起来并取得了令人瞩目的成果，其主要原因：首先有限元法等数值计算的发展，研究人员可以根据现场监测的结果，利用相应的数学模型通过数值计算进行反演分析；其次是新奥法施工技术的出现，人们对隧道围岩的位移的量测越来越关注，同时各种量测仪器和量测方法也相继出现并得到快速的发展。本文采用数值模型对监测结果进行处理分析，并对雪峰山隧道的围岩参数进行反演分析，有效地指导施工与决策。 2 位移联图反分析法原理 目前，反分析技术的应用越来越广，除了采用弹线形模型以外，还可以采用非线性模型及随机反分析技术，同时反分析技术逐步向简单化、实用化转变[1]。根据雪峰山隧道实际的工程情况，采用弹塑性力学的逆过程方法进行位移反分析研究难度较大，并且由于围岩本构的关系十分复杂，同时目前的逆过程的方法的基本上都采用了线弹性假设，这就和实际情况有很大的出入。因此在雪峰山隧道的位移反分析的研究中，将采用基于直接法的位移联图反分析方法。 位移联图反分析法是利用图谱反分析法的进一步发展，在分析过程中根据隧道埋深，确定垂直方向地应力，并把水平方向地应力和围岩弹性模量E当做变量，通过弹塑性力学有限元方法计算可以得到对应于各种不同弹性模量E情况下的i点的变形随水平方向地应力的变化而变化的-函数关系图。同理可以得到j点的-函数关系图。在这两个图上根据现场的测试值和，作平行于纵坐标轴的直线，分别交曲线族于、、…、…及、、…、…，连接、、…、…，找出其中呈水平状者，其对应的和即为反分析得到的围岩弹性模量和水平方向地应力。当测试的结果比较多的时候，可以取、的平均值。  图1 位移联图反分析方法 在采用此方法进行计算的时候，可以把围岩C、ф值按定值进行计算，计算时会有一些误差，但由于围岩的C、ф值在各种围岩级别中变化时，对塑性区范围的影响不是很大。 3 位移联图反分析法的工程应用 位移联图反分析法主要通过有限元计算，并根据计算数据和实际量测的数据采用图解法进行参数反演的反分析方法。在分析过程中把岩体看作弹形体进行分析，具有简单化、实用化等特点。 3.1现场监测信息的数据处理 反分析是通过量测信息进行反馈，在进行反分析时需要对量测的数据进行分析处理，特别是把隧道周边位移作为反馈信息时，首先对周边收敛值的发生、发展的过程有所了解。现场量测实践表明，隧道开挖后，即产生位移，位移的零点大约在开挖面前方（1.5～2.0）D附近，并根据以往的经验，在开挖处已产生总位移的0.25～0.35左右，在距开挖面后方2.5～3.0D左右达到最大值[2] ，上述规律通常称为隧道开挖的空间效应。隧道周边的位移可以用下式表达： (1) 式中——隧道开挖面处的位移值； ——量测开始前发生的位移值； ——位移的量测值。 根据上述原理，本文选取某一个适当的量测断面，依据该断面所处的地质情况，依据公路隧道设计规范，初步对和进行取值，建立三维数值模型，通过对量测断面前后隧道的开挖进行模拟，计算出的、、的值。其中由于三维有限元模型是对隧道开挖的动态模拟，可以认为计算出的隧道最终的周边变形值就是的值。 设， (2) ——位移量测值在总位移中所占的比例； ——在总位移中所占的比例； 由公式(2),和计算出的结果可以得到的大小。 在实际的量测中需要对量测的数据进行回归分析，这样可以客观的反映围岩周边位移随时间而变化的规律，利用回归分析后的量测值和，最后得到考虑了隧道开挖时空效应的隧道周边位移值。 2）模拟隧道开挖的三维有限元模型[3] 图2给出了三维有限元模型。由于对称性，该模型仅给出了隧道的一半。  图2 三维有限元模型 从隧道施工的实际情况出发，上边界取至地面，后边界则均匀分布与隧道轴线垂直的水平地应力分量p和按三角型分布得侧压力ξ，根据图1所示，侧压力ξ在上边界为零，在下边界为ξ。模型的约束条件为：右边界（坐标平面xoz）和与之平行的面仅作y向约束；前边界(坐标平面yoz)作x向约束；下边界（坐标平面xoy）则为z向约束。当隧道沿着oy轴