基于三維激光掃描技術(shù)的隧道圍巖參數(shù)反演分析

楊建群，詹建勇，方良斌，史培新，趙 宇

(1.浙江溫州沈海高速公路有限公司，浙江 溫州 325000；2.浙江大學(xué) 防災(zāi)工程研究所，浙江 杭州 310058；3.蘇州大學(xué) 軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建隧道易出現(xiàn)圍巖變形過大、變形持續(xù)時間長等安全問題，影響施工進(jìn)度，或設(shè)計偏于保守從而增加工程造價[1]。隧道變形是圍巖力學(xué)和變形特性的直觀反映[2]。新奧法隧道施工中監(jiān)控量測是判斷圍巖穩(wěn)定性和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計的重要步驟[3]。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和巖體非均勻性，隧道圍巖力學(xué)參數(shù)往往難以直接測量[4]。

位移反演分析[5]是為了優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果修正隧道圍巖參數(shù)。該方法在有限元計算模擬的基礎(chǔ)上，以隧道水平收斂和拱頂下沉的實測數(shù)據(jù)為目標(biāo)值，不斷修正試算圍巖參數(shù)，直到模擬計算值與實測值一致。但傳統(tǒng)位移監(jiān)測方法效率低、測點數(shù)量有限，難以及時獲取足夠的隧道變形數(shù)據(jù)，使得隧道圍巖參數(shù)反演具有明顯的滯后性和局限性[6-7]。

近年來，采用三維激光掃描技術(shù)單次掃描即可獲得全空間點云數(shù)據(jù)，具有高效率、高精度等特點，配合后期分析處理可快速獲取某一時間點隧道不同斷面變形信息[8-10]。三維激光掃描監(jiān)測可以彌補傳統(tǒng)監(jiān)測方法的不足，監(jiān)測得到的變形數(shù)據(jù)具有時間上的統(tǒng)一性和空間上的完整性，增強了隧道圍巖參數(shù)反演分析的可靠性?，F(xiàn)階段，三維激光掃描技術(shù)主要應(yīng)用在已建成隧道的變形監(jiān)測，而隧道施工期因現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜和干擾因素較多其應(yīng)用存在較大困難[11]。

本文依托溫州繞城高速公路南山隧道，采用三維激光掃描技術(shù)在隧道開挖過程中進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，獲取隧道初期支護段變形。采用PLAXIS 3D三維有限元軟件對隧道開挖進(jìn)行模擬，通過位移反演分析得到隧道圍巖參數(shù)，為隧道支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 工程概況

南山隧道位于溫州繞城高速公路第4標(biāo)段，為雙向6車道。左洞起止里程K37+470—K38+695，長度 1 225 m;右洞起止里程K37+454—K38+620，長度 1 166 m。隧道凈寬14.5 m，凈高5.0 m。隧道處于侵蝕丘陵區(qū)，自然坡度25°～ 50°。測量時左右洞開挖至Ⅳ級圍巖(中風(fēng)化凝灰?guī)r)地段，節(jié)理發(fā)育，巖體較為破碎，而且隧道埋深較淺，對現(xiàn)場監(jiān)測要求較高。隧道采用上下臺階法開挖，單次進(jìn)尺2.5 m。采用復(fù)合式支護結(jié)構(gòu)，初期支護以噴射混凝土及鋼拱架組成聯(lián)合支護體系，二次襯砌為模筑混凝土。

2 隧道三維激光掃描變形監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方案

采用Trimble TX8三維激光掃描儀進(jìn)行隧道左洞點云數(shù)據(jù)采集，掃描儀參數(shù)見表1。分別在2017年5月6日和10日在南山隧道進(jìn)行2次掃描，單次掃描時間6 min。隧道監(jiān)測范圍離掌子面1～50 m，每次掃描固定在爆破清渣后。

表1 Trimble TX8三維激光掃描儀參數(shù)

以三維激光掃描儀的中心為坐標(biāo)原點，將2次掃描得到的隧道點云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下，即坐標(biāo)配準(zhǔn)[12]。本文通過標(biāo)靶將點云坐標(biāo)統(tǒng)一到大地坐標(biāo)系中。在隧道監(jiān)測范圍內(nèi)的拱頂、洞壁布置4個標(biāo)靶，并分布在掃描儀前后兩側(cè)。以四等控制點為參考點，通過高精度全站儀測量得到標(biāo)靶中心坐標(biāo)。

2.2 變形監(jiān)測結(jié)果

掃描得到的隧道點云數(shù)據(jù)見圖1，其中包括大量無關(guān)數(shù)據(jù)和噪聲。通過Geomagic Studio對隧道點云數(shù)據(jù)進(jìn)行縮減、降噪等預(yù)處理，以提高數(shù)據(jù)處理效率并減少誤差。

圖1 隧道點云數(shù)據(jù)

圖2 隧道變形云圖

表2 隧道斷面拱頂沉降監(jiān)測結(jié)果

3 隧道圍巖參數(shù)反演

3.1 計算模型建立

1)模型建立及網(wǎng)格劃分

采用PLAXIS 3D三維有限元軟件對隧道開挖過程進(jìn)行數(shù)值計算。考慮到南山隧道地處丘陵地區(qū)，且隧道埋深較淺，不能忽視地應(yīng)力分布的影響，因此模型上邊界根據(jù)實際等高線建模以體現(xiàn)真實地表起伏對地應(yīng)力的影響?？紤]開挖影響范圍和邊界效應(yīng)，模型底部和橫向兩側(cè)邊界到隧道的距離為隧道直徑的10倍。隧道結(jié)構(gòu)及附近圍巖網(wǎng)格加密，模型整體網(wǎng)格劃分見圖3，共有 28 259 個四面體單元。

圖3 有限元計算模型

2)計算參數(shù)選取

隧道圍巖力學(xué)參數(shù)主要有重度γ、彈性模量E、泊松比ν、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。Ⅳ級圍巖段參數(shù)依據(jù)地質(zhì)勘查報告確定，見表3。采用實體單元模擬圍巖和襯砌，初期支護厚度25 cm，二次襯砌厚度60 cm。圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，襯砌采用彈性本構(gòu)模型。

表3 模擬計算參數(shù)

為簡化計算，根據(jù)剛度等效原理將鋼拱架彈性模量折算到噴射混凝土中。折算彈性模量E的經(jīng)驗公式為

(1)

式中：E0為原噴射混凝土的彈性模量;Eg為鋼材的彈性模量;Sg為鋼拱架的截面積;Sc為噴射混凝土的截面積。

因巖石泊松比變化范圍較小，本文選取彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角作為反演參數(shù)。

3)隧道施工步驟及簡化

南山隧道采用新奧法施工，分上下2個臺階開挖，其中下臺階又分左右兩步開挖，2次監(jiān)測均在下臺階右側(cè)開挖期間。初期支護以鋼拱架和噴射混凝土為主。簡化后將施作初期支護和支鋼拱架作為一個工序，則一個循環(huán)施工工序為：開挖上導(dǎo)洞→施作上導(dǎo)洞初期支護→開挖下導(dǎo)洞右側(cè)→施作下導(dǎo)洞右側(cè)初期支護→開挖下導(dǎo)洞左側(cè)→施作下導(dǎo)洞左側(cè)初期支護?？偣策M(jìn)行4個循環(huán)的模擬計算。

3.2 模擬計算結(jié)果

隧道初期支護段豎向位移云圖見圖4?？梢姡核淼镭Q向位移集中在開挖面(K38+383—K38+385)拱頂處，隧道最大豎向位移發(fā)生在K38+385處，約 0.8 mm。離該掌子面越遠(yuǎn)，豎向位移越小。

圖4 隧道初期支護段豎向位移云圖

在K38+386—K38+404段截取10個斷面，比較拱頂沉降模擬計算值與三維激光掃描實測值，見圖5?？梢姡嬎阒颠h(yuǎn)小于實測值，說明設(shè)計圍巖參數(shù)與實測值存在較大偏差，需要對圍巖參數(shù)進(jìn)行反演修正。

圖5 拱頂沉降模擬計算值與監(jiān)測值比較(設(shè)計圍巖參數(shù))

3.3 圍巖參數(shù)反演

構(gòu)造反演分析的目標(biāo)函數(shù)來判斷計算結(jié)果的優(yōu)劣。本文采用常用的最小二乘法目標(biāo)優(yōu)化方法。設(shè)拱頂沉降三維激光掃描實測值為xt，模擬計算值為xc，有n個監(jiān)測點，則目標(biāo)函數(shù)值R為

(2)

R值越小說明圍巖參數(shù)越接近實際值。根據(jù)地質(zhì)勘查報告各參數(shù)取值范圍為：彈性模量1～4 GPa；黏聚力150～300 kPa；內(nèi)摩擦角25°～34°。采用正交試驗法設(shè)計反演參數(shù)組合，按照三參數(shù)四水平進(jìn)行正交試驗，計算得出16組參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)值，參數(shù)組合及計算結(jié)果見表4。可見，E=1 GPa，c=200 kPa，φ=28°時，模擬計算得到的目標(biāo)函數(shù)值最小。

表4 正交試驗參數(shù)組合及計算結(jié)果

圖6 拱頂沉降模擬計算值與實測值比較(反演參數(shù))

反演參數(shù)取E=1 GPa，c=200 kPa，φ=28°，對拱頂沉降進(jìn)行模擬計算。計算值與三維激光掃描實測值的對比見圖6。可見，兩者吻合程度較高，可用于指導(dǎo)隧道支護參數(shù)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計，充分發(fā)揮圍巖自身性能，降低工程成本。

4 結(jié)論

依托溫州繞城高速公路南山隧道，將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用到新奧法隧道施工期變形監(jiān)測中。通過2次掃描得到隧道初期支護段在開挖4個循環(huán)內(nèi)的空間變形場。該變形場具有時間上的一致性和空間上的完整性，彌補了傳統(tǒng)散點監(jiān)測的不足，具有很高的實用價值。

基于三維激光掃描監(jiān)測結(jié)果對設(shè)計圍巖參數(shù)進(jìn)行反演分析。通過PLAXIS 3D有限元軟件建立隧道計算模型，選取圍巖彈性模量E、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ作為反演參數(shù)，采用正交試驗設(shè)計圍巖參數(shù)組合。反演所得圍巖參數(shù)均低于隧道設(shè)計階段根據(jù)地質(zhì)勘查報告估算值。該反演結(jié)果可用于指導(dǎo)隧道支護參數(shù)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。