軟弱圍巖隧道施工過(guò)程圍巖參數(shù)反演及仿真分析

陳 軍

(云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司 昆明 650217)

隧道施工的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研表明，軟弱圍巖隧道施工風(fēng)險(xiǎn)大，多發(fā)坍塌事故的主要原因是地質(zhì)情況和圍巖參數(shù)復(fù)雜，設(shè)計(jì)階段不能確定有針對(duì)性的圍巖支護(hù)參數(shù)，而施工階段軟弱圍巖隧道圍巖變形速度快，設(shè)計(jì)變更過(guò)程又較復(fù)雜，導(dǎo)致施工現(xiàn)場(chǎng)不能實(shí)時(shí)優(yōu)化開(kāi)挖方法和支護(hù)方案，引起事故的發(fā)生，因此，隧道施工階段需要有一種方法可以預(yù)測(cè)圍巖的位移和受力[1-2]，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和設(shè)計(jì)變更。鑒于此，本文結(jié)合軟弱圍巖隧道施工實(shí)際情況，建立數(shù)值計(jì)算模型和基于改進(jìn)的遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)一種逆向反演的方式推算出圍巖的力學(xué)參數(shù)，基于推算出的圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，一方面可以與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證反演系統(tǒng)和仿真模型的準(zhǔn)確性，另一方面可以通過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算實(shí)現(xiàn)沉降值、收斂值的預(yù)測(cè)，提早發(fā)現(xiàn)薄弱面，有效預(yù)防可能出現(xiàn)的破壞，實(shí)現(xiàn)一種更主動(dòng)有效的隧道設(shè)計(jì)、施工控制模式[3-4]。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合的圍巖參數(shù)反演

遺傳算法在給定目標(biāo)函數(shù)和多約束條件下，具有多目標(biāo)優(yōu)化能力，BP網(wǎng)絡(luò)具有對(duì)未輸入目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)的泛化能力。通過(guò)遺傳算法和改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)巖土通常參數(shù)的反演[5]。其實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1) 確定反演參數(shù)，按正交試驗(yàn)法建立各參數(shù)的水平組合。

2) 建立數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行反演參數(shù)各水平組合下的數(shù)值計(jì)算，獲得相應(yīng)的位移值，將參數(shù)組合值和對(duì)應(yīng)的位移值作為反演計(jì)算的輸入和輸出學(xué)習(xí)樣本。

3) 建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的計(jì)算參數(shù)與響應(yīng)量的全局映射關(guān)系，并建立求解巖土參數(shù)所需的目標(biāo)函數(shù)。

4) 將學(xué)習(xí)樣本和實(shí)測(cè)位移數(shù)據(jù)代入編制好的反演程序中，分析出滿足運(yùn)算終止條件的最優(yōu)解，此最優(yōu)解即為待反演圍巖參數(shù)目標(biāo)值。

5) 將反演出的隧道圍巖參數(shù)代入FLAC3D數(shù)值計(jì)算程序，計(jì)算出隧道圍巖位移值。并將數(shù)值計(jì)算得到的圍巖位移值與監(jiān)控量測(cè)的圍巖位移值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證反演程序和仿真模型的準(zhǔn)確性。

1.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是進(jìn)行多因素試驗(yàn)安排的一種高效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，它根據(jù)試驗(yàn)因素的水平組合，選擇有代表性的一部分水平組合進(jìn)行試驗(yàn)，分析了解全面的試驗(yàn)情況，可作為得到反演系統(tǒng)樣本集的有效方法[6]。

1) 因素及對(duì)應(yīng)水平的確定。圍巖的主要力學(xué)參數(shù)彈性模量E、泊松比μ、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，可作為正交分析的4個(gè)因素。通過(guò)地質(zhì)勘測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及相關(guān)類似工程的數(shù)據(jù)，可以確定軟弱圍巖力學(xué)參數(shù)取值范圍為E：5～20 MPa；μ：0.3～0.45；φ：15°～30°；c：20～50 kPa。正交設(shè)計(jì)水平一般取2～4個(gè)為宜，為了使分部更具代表性同時(shí)考慮計(jì)算量的大小，所有參數(shù)均選擇4個(gè)水平，具體的因素與水平分部見(jiàn)表1。

表1 圍巖參數(shù)因素水平表

2) 正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)。常用的正交表已由數(shù)學(xué)工作者制定出來(lái)。2水平正交表有L4(23)，L8(27)，L16(215)等；3水平正交表有L9(34)，L27(213)…等。此試驗(yàn)為4因素4水平試驗(yàn)，不考慮交互作用，選L16(45)最合適，并確定出試驗(yàn)方案和圍巖參數(shù)取值。

1.2 仿真模型建立

隧道全長(zhǎng)525 m，洞身穿越自穩(wěn)性差的第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土地層及強(qiáng)風(fēng)化砂巖夾泥巖結(jié)構(gòu)地層，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。入口段埋深30 m左右，洞身最大開(kāi)挖高度10.39 m，最大開(kāi)挖寬度11.56 m，隧道采用CRD法施工，共6個(gè)開(kāi)挖分部，每開(kāi)挖分部間隔3 m，二襯到最近掌子面距離為12 m左右，支護(hù)參數(shù)為V級(jí)圍巖復(fù)合式加強(qiáng)襯砌，鎖腳錨桿和系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度為3.5 m，每開(kāi)挖進(jìn)尺21根系統(tǒng)錨桿沿開(kāi)挖邊界等間距布置，初支厚度為25 cm，二次襯砌厚度為45 cm，橫豎撐厚度為25 cm，開(kāi)挖進(jìn)尺為60 cm。應(yīng)用FLAC3D有限差分軟件建立模型，埋深取隧道開(kāi)挖區(qū)平均埋深值，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=33 m×100 m×110 m。

1) 隧道開(kāi)挖模擬。為了和實(shí)際施工工況保持一致，模型的開(kāi)挖順序、掘進(jìn)進(jìn)尺等均按照實(shí)際進(jìn)行模擬，實(shí)際施工中各分部開(kāi)挖順序與模型模擬的開(kāi)挖順序示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 仿真分析中模型的開(kāi)挖順序

2) 隧道支護(hù)系統(tǒng)模擬。模型中的系統(tǒng)錨桿及鎖腳錨桿采用cable單元進(jìn)行模擬，初襯噴射混凝土采用solid單元，二襯采用結(jié)構(gòu)單元shell

單元，橫向、豎向的臨時(shí)支撐則采用solid單元進(jìn)行模擬，具體的模型支護(hù)體系見(jiàn)圖2。

圖2 仿真模型支護(hù)系統(tǒng)

1.3 正交試驗(yàn)及參數(shù)反演

隧道施工過(guò)程中，在拱頂和墻腰的同一斷面布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并按《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求進(jìn)行位移監(jiān)測(cè)。

通過(guò)正交試驗(yàn)確定的16組圍巖力學(xué)參數(shù),分別代入利用FLAC3D有限差分軟件建立的仿真模型中計(jì)算,則可分別得到16組試驗(yàn)的圍巖拱頂沉降和周邊收斂數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 試驗(yàn)1～8組的拱頂沉降曲線圖

圖4 試驗(yàn)1～8組的洞內(nèi)收斂曲線圖

圖5 試驗(yàn)9～16組的拱頂沉降曲線圖

圖6 試驗(yàn)9～16組的洞內(nèi)收斂曲線圖

由圖3～圖6可見(jiàn)，相同斷面的拱頂沉降值與洞內(nèi)收斂值的變化趨勢(shì)大體相同，絕對(duì)量上成正相關(guān)關(guān)系，這與隧道結(jié)構(gòu)變形的實(shí)際情況相符,也與隧道監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)在趨勢(shì)上吻合。隧道掘進(jìn)起點(diǎn)附近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到模型邊界條件的影響較大,與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果有明顯差距,但是從距掘進(jìn)起點(diǎn)6 m左右開(kāi)始,沉降和收斂趨勢(shì)趨于正常，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)相符。距掘進(jìn)起點(diǎn)7.5 m左右時(shí)沉降和收斂值均趨于最大值,距起點(diǎn)18～20 m區(qū)段,沉降值和收斂值趨勢(shì)穩(wěn)定,但距起點(diǎn)19.5 m之后,拱頂沉降和洞內(nèi)收斂開(kāi)始有明顯減小趨勢(shì),因此，選取距掘進(jìn)起點(diǎn)7.5 m和19.5 m這2個(gè)斷面作為典型反演斷面。這2個(gè)斷面距最遠(yuǎn)掌子面的距離分別為22.5 m和10.5 m。

通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得到典型斷面試驗(yàn)組在相應(yīng)圍巖參數(shù)下的拱頂沉降值和周邊收斂值,見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)方案結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

將表2中通過(guò)正交試驗(yàn)確定的圍巖力學(xué)參數(shù)和數(shù)值計(jì)算得到的圍巖位移參數(shù)帶入反演程序，利用MATLAB程序進(jìn)行反演計(jì)算，得到圍巖的反演參數(shù)：E=10.397 1 MPa，μ=0.433 9，φ=17.834 5，c=41.199 4 kPa。

2 仿真模型驗(yàn)算

判斷圍巖參數(shù)的反演值是否準(zhǔn)確，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的仿真模型驗(yàn)算。由于反演分析的模擬工況為某隧道的施工工況，驗(yàn)算模型與原采樣計(jì)算模型相同，所以將反演得到的圍巖力學(xué)參數(shù)值直接代入原模型進(jìn)行計(jì)算則可得隧道圍巖的整體變形情況，見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 隧道開(kāi)挖的整體沉降云圖

圖8 水平方向隧道整體位移云圖

由圖7可見(jiàn)，隧道上方土體受自身重力作用，形成完整的自平衡應(yīng)力拱，位移向上傳播范圍約為20 m；由于土體的流塑性較強(qiáng)，隧道底部土體開(kāi)挖后，土體應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的回彈變形較大。由圖7～圖8可見(jiàn)，雖然CRD法分部開(kāi)挖對(duì)沉降和水平位移分部有影響，但是從整體的沉降和收斂趨勢(shì)來(lái)看，其影響并不大，大體上呈對(duì)稱變形。

通過(guò)對(duì)模型計(jì)算結(jié)果7.5 m和19.5 m處取剖面圖，可以得到斷面7.5 m和斷面19.5 m處的沉降和水平收斂云圖，見(jiàn)圖9～圖12。提取2個(gè)斷面隧道變形數(shù)據(jù)則可得模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比情況，見(jiàn)表3。

圖9 斷面7.5 m處沉降云圖

圖10 斷面7.5 m處水平位移云圖

圖11 斷面19.5 m處沉降云圖

圖12 斷面19.5 m處水平位移云圖

表3 驗(yàn)算模型隧道變形值與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

由表3可見(jiàn)，利用反演參數(shù)進(jìn)行模型驗(yàn)算所得出的隧道典型斷面拱頂沉降值、周邊收斂值與隧道施工過(guò)程中實(shí)測(cè)值吻合良好，二者的最大偏差不到4%。說(shuō)明反演程序的編制和仿真模型的建立是合理的，將反演參數(shù)代入仿真模型對(duì)典型斷面沉降值和收斂值的預(yù)測(cè)是較為準(zhǔn)確的。

提取仿真模型中其他斷面的拱頂沉降值和周邊收斂值，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖13和圖14。

圖13 模型沉降值與實(shí)測(cè)沉降值曲線圖

圖14 模型周邊收斂值與實(shí)測(cè)周邊收斂值曲線圖

由圖13和圖14可見(jiàn)，其他斷面的拱頂沉降值和周邊收斂值的整體趨勢(shì)與實(shí)測(cè)值吻合良好，說(shuō)明反演參數(shù)不僅對(duì)提供反演數(shù)據(jù)樣本的典型斷面有效，對(duì)該開(kāi)挖區(qū)段內(nèi)的其他斷面位移預(yù)測(cè)也是較準(zhǔn)確的。

3 結(jié)論

1) 巖土工程現(xiàn)象的規(guī)律復(fù)雜，影響因素多，具有非線性特點(diǎn)，如果單純采用BP算法分析，往往需要很長(zhǎng)的收斂時(shí)間，而且容易陷入局部最小解。本文編制的改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法結(jié)合的反演程序，先用改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)正交試驗(yàn)的樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，再用遺產(chǎn)算法求解得到最優(yōu)解。減小了數(shù)值計(jì)算的工作量，使得求解的收斂數(shù)據(jù)更快且避免了局部最小解問(wèn)題的出現(xiàn)。

2) 通過(guò)正交試驗(yàn)確定反演計(jì)算所需的圍巖力學(xué)參數(shù)樣本集，以隧道實(shí)際施工工藝為標(biāo)準(zhǔn)，建立仿真數(shù)值計(jì)算模型并計(jì)算得到圍巖拱頂位移和周邊收斂位移樣本集，將圍巖力學(xué)參數(shù)樣本集和位移參數(shù)樣本集代入編制好的MATLAB程序，進(jìn)行反演計(jì)算，可得到圍巖的力學(xué)參數(shù)取值，可為隧道工程設(shè)計(jì)、施工和隧道結(jié)構(gòu)變形受力分析提供參考。

3)將反演得到的圍巖力學(xué)參數(shù)代入仿真數(shù)值計(jì)算模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算得到的拱頂沉降位移值和周邊收斂位移值與實(shí)測(cè)值相近，誤差不到4%，說(shuō)明反演程序的編制和仿真數(shù)值計(jì)算模型的建立是可靠的，可以對(duì)已反演巖層一定范圍內(nèi)相似巖層的位移和應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工和設(shè)計(jì)變更，為優(yōu)化圍巖支護(hù)方案和施工方案提供指導(dǎo)依據(jù)。