位移联图反分析方法位移联图反分析方法在雪峰山隧道的应用在雪峰山隧道的应用摘摘 要：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：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Hy把水平方向地应力和围岩弹性模量 E 当x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iux变化而变化的-函数关系图。同理可iux以得到 j 点的-函数关系图。在这两jux个图上根据现场的测试值和，作平imujmu行于纵坐标轴的直线，分别交曲线族于、1I、及、KE2IKI1J、，连接、2JKJ11JI22JI、，找出其中呈水平状者，KKJIKKJI其对应的和即为反分析得到的围KEKx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Ex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、 值按定值进行计算，计算时会 有一些误差，但由于围岩的 C、 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au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（1.52.0）D 附近，并根据 以往的经验，在开挖处已产生总位移的 0.250.35 左右，在距开挖面后方2.53.0D 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) 321uuuua式中隧道开挖面处的位移值；1u量测开始前发生的位移值；2u位移的量测值。3u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0pE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1u2u3u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。au设， aauuuu)(21auu1(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；1u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 ，根据图 1 所示，侧压力 在 上边界为零，在下边界为 。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 轴方向开挖 至掌子面 B 时选择断面 A 作为量测剖面， 在断面 A 上布设量测点，并随着隧道向前 掘进同步进行监测。 在考虑模型中的参数取值时，根据以 往实测资料可知垂直向初始地应力一般与 自重应力接近，水平方向主应力与水平面 的交角通常很小。这时初始应力状态的垂 直应力是由岩体的自重引起的，而水平应 力分量取 决于围岩的波松比的大小，即，其中、为水平yzxxy应力分量，为垂直应力，为侧hy压力系数，并和的大小有关。本文以 YK96+174 为量测断面，取=0.33，=10Gpa。E 表 1 隧道周边变形位移测点位置计算值3u计算值au量测回归分析后值3u得到au拱顶0.3731.207mm0.3090.2864.59mm14.85mm 拱腰0.3161.005mm0.3140.2914.45mm14.17mm 边墙0.1230.345mm0.3550.2464.29mm12.08mm有表 1 中数据所示，满足占总位移的 0.250.35 左右。1u3.2 和结果分析E0p对岩石地下工程的设计来说，围岩的 初始应力状态和弹性模量都是十分重要E 的，对于围岩的初始应力状态，由于地质 构造面存在，各种方法都很难测出围岩的初始应力。为此，本文选择为待反、E 演参数。根据图 2 所示的三维有限元模型，在计算过程中取不同的值，分别进、E 行计算，根据计算的结果得到曲线，最终得到反演结果。Eux表 2 反演结果测点位置E（Gpa）拱顶-拱腰0.3476.856拱顶-边墙0.3244.489拱腰-边墙0.2985.631根据雪峰山隧道岩石主要物理力学试验成果统计表，明确的列出砂质板岩的弹性模量为 4.633Gpa（风干） 、5.962Gpa（饱和） ，则反演的结果基本与 E 值相同。 4 结束语 对于岩石地下工程来讲，有关地应力 的理论、测试方法技术及其应用还是一个 十分重要而又很复杂的研究。为了更好的 指导隧道的设计和施工，本文从实际的工 程出发，依据雪峰山隧道的施工技术和监控量测的数据，采用了位移联图反分析法 并建立适当的三维有限元模型进行反演分 析。同时对监测的数据进行时空分析处理，使采用的数据更能体现围岩的实际变形情 况。在整个位移反分析的过程中，体现了 位移联图法的实用性、简单化等特点。 1 岩土工程问题的反演理论与工程实践 杨林德 科学出版社 2 隧道力学概论 关宝树 西南交通大学出版社 3 杨志法，张路青可用于确定水平地应力分量和围岩弹性模量的 TBA 位移反分析 法岩石力学与工程学报，2004，40004005 4 杨志法，刘竹华，地下工程有限元图谱的根据及应用地下工程，1982， （1）： 8898 5 岩土工程反分析原理及应用 杨志法 北京地震出版社 6 伊颖锋，位移反分析法及其在岩体工程中的应用西部探矿工程 此课题为：交通部西部交通建设科技项目资助