西部交通建设科技项目-交通科技管理中心

公路隧道松弛荷载预测理论与预警系统及设计方法研究报告简本1、项目研究目的意义《公路隧道松弛荷载预测理论与预警系统及设计方法研究》是交通部2006年度西部交通建设科技项目中的一个研究项目，立项于2006年8月，从2006年7月至2009年6月，研究经费200万元，主要内容为各级围岩条件下隧道围岩变形破坏理论研究和基于监控量测和非确定性反分析的隧道结构设计与预警系统研究。项目组现已全面完成项目合同所规定的研究工作。近年来山区公路隧道复杂工况施工过程中的围岩稳定性问题日益突出，稍有不慎或处理不当，都会造成严重事故，给国家和人民的生命财产造成巨大损失。究其原因，主要有根本原因和直接原因。隧道开挖围岩松动围岩坍塌加固处治图1-1公路隧道围岩破坏根本原因是隧道围岩理论研究跟不上工程建设发展的需要，目前隧道设计规范推荐的荷载—结构法和地层—结构法存在局限性以及对隧道围岩在开挖应力状态下的渐进性破坏规律和围岩压力的演化趋势研究不完善性，导致不能全面分析隧道在开挖过程中围岩级别的劣化过程、围岩稳定性演化趋势以及围岩压力变隧隧道道开开挖挖化规律。因此，专题一各级围岩条件下隧道围岩变形破坏理论研究，开展相关理论和应用研究，重点突破了1）公路隧道围岩分级与损伤变量的关系；2）开挖应力状态下隧道围岩损伤演化模型，提出了基于经验公式的围岩压力预测模型和基于隧道围岩渐进性破坏的围岩压力预测模型。直接原因是当前公路隧道设计与施工存在的突出问题主要有二个：一、隧道结构变更设计，围岩级别的现场判定，依据不足；二、隧道围岩变形破坏，坍塌频繁，预测不准。造成这二个问题的主要原因是：1）围岩分级与现场监控量测毫无关系，人为判断；2）监控量测与分析水平低下，预警标准没有建立。针对以上问题开展专题：1）专题二隧道施工现场围岩定量分级判定方法；2）专题三：隧道围岩稳定及支护结构设计的非确定性反分析方法研究；3）专题四：隧道围岩变形破坏的预警系统方法研究。重点突破了1）考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法；2）隧道围岩变形破坏临界值的统计分析方法；3）图形可视化开发平台。建立了1）考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法；2）基于监控量测和非确定性反分析的隧道施工现场围岩分级方法；3）两车道公路隧道各级围岩条件下隧道围岩变形破坏监测预警值；4）基于监控量测和非确定性反分析的隧道结构设计与预警系统。2、研究内容及考核指标2.1研究内容本项目主要研究内容分如下四个专题：专题一：各级围岩条件下隧道围岩变形破坏理论研究；专题二：隧道施工现场围岩定量分级判定方法；专题三：隧道围岩稳定及支护结构设计的非确定性反分析方法研究；专题四：隧道围岩变形破坏的预警系统方法研究；2.2考核指标技术指标（1）本项目研究最终将形成基于非确定性反分析方法的隧道结构设计新方法，该设计方法综合考虑了我国现行隧道设计规范中所推荐的荷载—结构法和地层—结构法，更真实地反映了隧道围岩随机性、复杂性、不可预知性等特性，能够更加合理地解决隧道围岩稳定性判定和支护结构的设计问题。（2）本项目研究提出的隧道围岩变形破坏预警系统方法，能有效提高隧道施工安全性，减少隧道塌方，降低隧道建设成本。（3）本项目研究形成隧道结构设计分析新方法的软件系统2套；（4）本项目研究提交4份专题报告和一份总报告。经济指标（1）项目研究提出的基于松弛荷载理论的隧道结构设计新方法，可以节约工程造价10%～20%。（2）本项目研究提出的隧道围岩变形破坏预警系统方法，能有效提高隧道在施工开挖过程中的人员设备安全性，同时减少隧道塌方，降低隧道建设成本。（3）本项目指导示范工程一座，提交应用报告一份。（4）鉴于本项目在理论研究方面的深度较大，在人才培养上拟培养博士生1-2名。2.3指标完成情况技术指标完成情况：1）建立了基于经验公式的围岩压力预测模型和基于隧道围岩渐进性破坏的围岩压力预测模型；2）建立了考虑松动圈的卡尔曼滤波与有限元耦合反分析法及其软件1套；3）建立了基于监控量测和非确定性反分析的隧道施工现场围岩分级方法；4）建立了两车道公路隧道各级围岩条件下隧道围岩变形破坏监测预警值（三车道）；5）建立了基于监控量测和非确定性反分析的隧道结构设计与预警系统1套；6）完成5份专题报告、1份总报告、1份工作报告、1份应用报告和1份软件使用手册。经济指标完成情况：1）通过基于非确定性反分析方法和现场围岩等级定量判别方法的结构设计修正，使设计更趋合理，节约造价，依托工程造价节省在10％以上。2）依托工程应用证明：本项目研究提出的隧道围岩变形破坏预警系统方法，能有效提高隧道在施工开挖过程中的人员设备安全性，同时减少隧道塌方，降低隧道建设成本；依托工程璧城隧道到目前节约近千万元；3）指导依托工程多处，完成应用报告一份；4）培养博士研究生2名，硕士研究生3名。3、研究成果3.1公路隧道围岩变形破坏理论研究鉴于目前隧道设计规范推荐的荷载—结构法和地层—结构法存在局限性以及对隧道围岩在开挖应力状态下的渐进性破坏规律和围岩压力的演化趋势研究不完善性，导致现有理论体系不能全面反映隧道在开挖过程中围岩级别的劣化过程、围岩稳定性演化趋势以及围岩压力变化规律。本专题采用理论分析、数值模拟以及现场监控量测等手段对公路隧道围岩变形破坏理论进行较深入的研究，主要研成果如下：1）在建立隧道围岩各类分级指标与岩体弹性波速之间的相互关系的基础上，运用岩体初始损伤变量的波速定义，首次建立了隧道围岩分级与初始损伤变量的相互对应关系。通过分析开挖过程中围岩损伤演化，获得了损伤变量与围岩材料参数（弹性模量、泊松比、粘聚力、摩擦角）之间的关系，并进一步建立隧道在开挖过程中围岩力学参数的预测方法，同时给出开挖过程中围岩参数演化分析的实施程序，为开挖应力状态下隧道围岩损伤演化和渐进性破坏的理论分析奠定了基础。（1）岩体初始损伤的定义根据弹性纵波速定义的损伤变量来推求隧道围岩初始损伤，节理岩体初始损伤为2Pr01VVDPm式中，Vpm、Vpr分别为初始损伤岩体和无损岩体的弹性纵波速度。（2）损伤变量与围岩分级的关系表3-1两种常用围岩分级的岩体初始损伤0D表达式201ADRMR分类BQ系统A的取值SRF=10366.00097.0RMRVKSRF≠10437.00103.0RMR表3-2两种常用围岩分级中各级岩体对应的初始损伤0D范围RMR/BQ分级D0(RMR)(SRF=1)D0(BQ)I0.340.25II0.34~0.610.25~0.45III0.61~0.820.45~0.65IV0.82~0.950.65~0.85V0.950.85（3）损伤变量与Hoek-Brown准则参数的关系对于扰动岩体有12973.1712974.17exp4131.714132.7exp/1SRFDsDmmEE19600.1512330.16exp8400.619570.6exp/1SRFDsDmmEE对于未扰动岩体有15315.1115316.11exp7065.317066.3exp/1SRFDsDmmEE16400.1018220.10exp4200.314785.3exp/1SRFDsDmmEE（4）基于宏观统计损伤的围岩损伤演化分析材料强度服从Weibull分布，岩体受荷时变形模量随应变变化的宏观统计损伤演化方程为：meaDexp1式中，为应变；m为形状参数，并且ma、为非负数。根据连续损伤力学，有maEexpmaEEexp/ma、表征材料物理力学性质的参数，mccEEEmlnln1/ln1，mcma/1，c为峰值应力，c峰值应变，mE为过峰荷点的割线模量。（5）围岩力学参数估算1101101440.014353.23446.015948.2SRFESRFEEEDmDmEmD12219.042.0cos2sin111arcsinbppqcKK将获得的各个开挖过程的围岩力学参数纳入有限元分析，可以预测实际施工过程的围岩应力、应变和位移情况，进而超前掌握隧道围岩的承载能力和破坏情况，消除以往隧道施工的隐蔽性。同时，可以获得隧道在开挖步骤中的围岩级别动态变化，实现围岩施工过程中的动态分级。2）从隧道围岩的加、卸载破坏情况进行对比分析出发，通过岩体破坏机理、围岩损伤应力影响范围以及影响围岩稳定性的各个因素综合研究，建立了卸荷状态下的围岩损伤本构关系，然后通过引入能量耗散理论，对卸荷状态下的围岩损伤本构关系进行研究，建立基于能量耗散的损伤本构模型。（1）弹性损伤理论对于一个给定的损伤场变量1)(xD，位移分量ku可以通过微分方程和它所对应的边界条件求出。（2）不可逆热力学单位质量的Kelmholtz自由能（3）能量耗散损伤演化率方程（4）损伤演化方程裂隙岩体损伤屈服势函数ijijHHadgG21损伤演化方程:0)()())((rKtkHYHYgijijijij式中)(tk为初始损伤门槛值。3）基于一般弹塑性数值分析原理，首次建立了考虑围岩参数劣化过程的隧道围岩损伤演化分析方法。并在此基础上，依托壁城隧道，将开挖应力状态下围岩劣化过程的数值模拟方法用于隧道围岩弹塑性损伤演化分析。通过分析Ⅲ级、Ⅳ级围岩隧道开挖过程中围岩的损伤演化趋势、围岩变形变化特征以及塑性区区域和强度衰减的影响因素，深入分析了开挖应力状态下隧道围岩的弹塑性损伤演化机理和渐进性破坏规律。（1）考虑围岩参数劣化过程的隧道围岩损伤演化分析方法（2）壁城隧道开挖过程中围岩弹塑性损伤演化分析-23813182312345施工步骤拱顶下沉(mm)现场监测数据数值模拟结果-1135791112345施工步骤周边收敛位移(mm)现场监测数据数值模拟结果a)ZK1+087拱顶下沉位移b)ZK1+087周边收敛位移图4.16ZK1+087洞周位移实测值与模拟值对比分析16111621263136411234567施工步骤拱顶下沉(mm)现场监测数据数值模拟结果-11357911131234567施工步骤周边收敛位移(mm)现场监测数据数值模拟结果a)ZK1+178拱顶下沉位移b)ZK1+178周边收敛位移图4.17ZK1+178洞周位移实测值与模拟值对比分析024681012142345施工步骤E（GPa）洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩1234567234567施工步骤E（GPa）洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩(a)ZK1+087断面(b)ZK1+178断面图3-1隧道开挖时弹性模量变化过程51015202530354045502345施工步骤φ(°)洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩51015202530354045234567施工步骤φ(°)洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩(a)ZK1+087断面(b)ZK1+178断面图3-2隧道开挖时摩擦角变化过程0.250.270.290.310.330.350.372345施工步骤μ洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩0.290.30.310.320.330.340.350.36234567施工步骤μ洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩(a)ZK1+087断面(b)ZK1+178断面图3-3隧道开挖时泊松比变化过程00.20.40.60.811.22345施工步骤c(MPa)洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩00.10.20.30.40.50.60.70.8234567施工步骤c(MPa)洞周围岩拱顶围岩侧墙围岩(a)ZK1+087断面ZK1+178断面图3-4隧道开挖时粘聚力变化过程（3）开挖应力状态下隧道围岩的弹塑性损伤演化机理隧洞开挖后围岩应力重分布，当围岩局部区域的应力超过岩体强度，则围岩进入塑性或破坏状态。围岩的塑性或破坏状态有两种情况：受拉破坏和受压