隧道施工中围岩参数反演与载荷分配比例问题分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文1．1问题的提出第1章绪论随着高速公路建设的快速发展，隧道的数量也日益增多。隧道工程设计施工的基本特点是“地质条件复杂，参数信息缺乏”，加上勘测方法、勘测费用、施工工期、施工经费等的限制，在开挖前不可能将设计中所需的设计参数，施工中可能出现的各种突发问题等搞得十分清楚，而必须通过开挖后所揭示的地质条件对围岩级别进行再认识和再确定，相应的预设计阶段所拟定的断面尺寸、结构形式、支护参数、预留变形量和特殊地质状况下的施工方法等方案均需要在开挖过程中重新进行评估和确认，必要时须做出调整和修改。因此隧道工程的设计无法在开工前就做到一步到位，施工中存在很大的不确定性。其

2、实，对于隧道工程而言，施工过程中根据实测资料来对预设计进行修改比预设计更重要。在如今的隧道结构的数值计算方法应用的过程中，存在的问题最主要的是如何提供足够正确的计算参数，如初始地应力、弹性模量等往往难以确定，另外，隧道结构的施工实际上是一个卸荷过程，而这个卸荷过程如何进行，如何模拟，也即载荷分配比例的问题也是较难解决的问题。对于围岩物理参数及初始地应力的确定的问题，往常的做法是在野外地质调查的基础上，在现场进行必要的岩体力学实验和地应力测试，用以确定初始的计算参数，但现场试验的方法不仅费时费力，耗费大量的费用，而且由于地质条件等的变化，往往需要大量的实验来确定这些参数，这使锝在一般

3、工程中难以实现，反分析特别是位移反分析方法为解决这一问题提供了非常好的途径。对于载荷分配比例的确定实际上是要分析清楚如何准确地模拟卸荷过程，载荷分配比例不仅与隧道的结构设计尺寸、开挖方法、支护施作时间、辅助施工措施等因素有关，而且还与隧道的工程地质条件、隧道埋深等因素密切相关。具体施工时，载荷分配比例可根据监控量测资料加以确定。在缺乏实测资料的情况下亦可按工程类比法加以选定，并根据试算结果予以修正。而在设计阶段，通过各种数值方法模拟计算来验证支护结构的强度时，由于无法预测施工的具体情况，因而很难确定各阶段的载荷分配比例。这一问题的解决目前只能通过武汉理工大学硕士学位论文对现场埋设传

4、感器监测监控的数据进行统计分析才能得到，目前对于这方面的研究很少。因此，开展隧道工程中围岩参数的反分析和载荷分配比例问题的理论研究，具有重要的理论意义和实用价值。1．2研究进展1．2．1围岩参数的反分析在岩石力学与工程中，利用工程现场量测到的反映系统力学行为的某些物理量来推算该系统的各项或一些初始参数时，这种方法通常被称为反分析法。其中反映系统力学行为的现场观测物理量，被称为反分析法的基础信息(如应变信息、位移信息、应力信息等)；而被反算的初始参数一般包括岩体初始地应力(场)、力学参数及结构所受载荷等。随着岩土工程的发展，国内外众多学者对反分析理论及其应用进行了大量广泛而深入的研究

5、，其中对于围岩物理参数及初始地应力问题的反分析，一些学者的研究成果如下：1972年Kavanagh和Clough提出反算弹性模量的有限元法；1976年Kirsten在Johannesburg召开的岩土工程勘测学术讨论会上提出由实测岩体变形来反分析岩体弹性模量：1977年Kovari提出了反算地层压力参数的方法；1981年中国科学院地质研究所杨志法等提出了三维问题的有限元图谱法，利用事先建立好的图谱反演围岩地应力及弹性模量；1983年同济大学冯紫良、杨林德等将地应力分为均布构造应力和自重应力，用有限元求自重应力场产生的围岩位移差值，反算岩体的均布构造应力；1985年同济大学杨林德等考

6、虑初始地应力由构造应力及自重应力组成进行线性和非线性位移反分析；1986年郑颖人在应力空间中用边界元法进行弹塑性位移反分析，根据围岩位移反算初始地应力和弹性模量，可用于解决二维和三维问题。1．2．2载荷分配比例的确定对于载荷分配比例问题，到目前为止，只有部分学者对围岩释放率的问题作了一些相关的研究，其中，夏永旭，王文正，胡庆安等分析了围岩应力释放率对双联拱隧道施工影响。2武汉理工大学硕士学位论文1．3九岭隧道工程概况九岭隧道位于江西省赣州市于都县白鹅乡九岭村九岭水库附近，由于地形限制而采用小间距的结构形式，隧道最大埋深70余米，全长500．28米，单洞孔径13．4米，左右线隧道净间

7、距7米，隧道沿线地质主要为第四季残破积碎石土，强风化砂质板岩，岩性软，岩体结构松散，岩体破碎，呈碎裂结构，水文条件主要为孔隙水及基岩裂隙水，水量丰富，以点滴状或淋雨状出水。隧道沿线分别处于Ⅲ、Ⅳ、V级围岩，本文拟以洞口K66+230一K664-180段50米的范围为研究对象，该段属于V级围岩。为了测得支护结构的实际受力情况，在隧道施工过程中对隧道沿线的典型断面埋设钢弦应变计，然后每天采集应变计的数据变化，得出支护结构的受力情况。钢弦应变计属于“非电量电测法”的范畴，测