西部交通建设科技项目-交通科技管理中心

1、公路隧道松弛荷载预测理论、预警系统及设计方法研究报告简化版本1.项目研究的目的和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年西部交通建设科技项目的研究项目。它成立于2006年8月，从2006年7月到2009年6月，拥有200万元的研究基金。主要内容是各级围岩条件下隧道围岩变形破坏的理论研究和基于监控量测和不确定性反分析的隧道结构设计及预警系统研究。项目组已完成项目合同中规定的研究工作。近年来，复杂工况下山区公路隧道施工过程中，围岩稳定性问题日益突出。任何粗心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。隧道挖掘隧道

2、开挖中松散围岩坍塌的加固处理图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的发展，现行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，对开挖应力状态下围岩压力的渐进破坏规律和演化趋势的研究不完善，导致无法全面分析开挖过程中围岩等级的劣化过程、围岩稳定性的演化趋势和围岩压力的变化规律。因此，第一个课题是各级围岩条件下隧道围岩变形破坏的理论研究，并进行了相关的理论和应用研究，重点突破1)公路隧道围岩分类与损伤变量的关系；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破坏的围岩压力预测模型。直接原因是目前公路隧道设计和施工中存

3、在两个突出问题：一是隧道结构变化设计和围岩等级现场判断不足；二是隧道围岩变形破坏，坍塌频繁，预测不准确。产生这两个问题的主要原因是：1)围岩分类与现场监测无关，是人为判断；2)监测测量和分析水平低，预警标准尚未建立。针对上述问题，本文开展了以下几个方面的研究：1)隧道施工现场围岩的定量分类及判断方法；2)课题3:隧道围岩稳定性及支护结构设计的不确定性反分析方法研究；3)课题4:隧道围岩变形破坏预警系统方法研究。关键突破是1)考虑松动圈的卡尔曼滤波和有限元耦合反分析方法；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。1)建立了考虑松动圈的卡尔曼滤波和有限元耦合反分析方法；2)

4、基于监测测量和不确定性反分析的隧道施工现场围岩分类方法；3)各级围岩条件下双车道公路隧道围岩变形破坏监测预警值；4)基于监测测量和不确定性反分析的隧道结构设计及预警系统。2.研究内容和评估指标2.1研究内容本项目的主要研究内容分为以下四个主题：课题一：隧道围岩在各级围岩条件下的变形破坏理论研究；题目2:隧道施工现场围岩定量分级判断方法；课题3:隧道围岩稳定性及支护结构设计的不确定性反分析方法研究；题目4:伯爵研究(4)本项目提交四份专题报告和一份综合报告。经济指标(1)工程研究中提出的基于松弛荷载理论的隧道结构设计新方法，可节约工程造价10% 20%。(2)本项目提出的隧道围岩变形破坏预警系统

5、方法，可以有效提高隧道施工和开挖过程中人员和设备的安全性，同时减少隧道塌方，降低隧道施工成本。(3)本项目指导一个示范项目，提交一份申请报告。(4)鉴于本项目理论研究的深入，计划培养1-2名博士生进行人才培养。2.3指标完成技术指标完成情况：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方法及其软件。3)建立了基于监测测量和不确定性反分析的隧道施工现场围岩分类方法。4)建立了双车道公路隧道围岩变形破坏的监测预警值(三车道)。5)建立了一套基于监测测量和不确定性反分析的隧道结构设计与预警系统。6)完成5份专题报

6、告、1份综合报告、1份工作报告、1份应用报告和1份软件用户手册。经济指标完成情况：1)通过基于不确定性反分析法和现场围岩等级定量判别法的结构设计修改，使设计更加合理，节约了成本，节约工程成本10%以上。2)依托工程应用，证明本项目提出的隧道围岩变形破坏预警系统方法能够有效提高隧道开挖过程中人员和设备的安全性，同时减少隧道塌方，降低隧道施工成本；依托禹城隧道项目，目前已节省近1000万元；3)指导多个项目，完成一份申请报告；4)培养2名博士生和3名硕士生。3.研究成果3.1公路隧道围岩变形破坏理论研究鉴于现行隧道设计规范推荐的荷载-结构法和地层-结构法的局限性，以及开挖应力状态下围岩压力的渐进破

7、坏规律和演化趋势研究的不完善，现有理论体系不能充分反映开挖过程中围岩等级的劣化过程、围岩稳定性的演化趋势和围岩压力的变化规律。本课题采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的方法，研究公路隧道围岩变形破坏理论。主要研究成果如下：1)基于隧道围岩各种分类指标与岩体弹性波速度之间的关系，利用岩体初始损伤变量的波速定义，首次建立了隧道围岩分类与初始损伤变量之间的对应关系。通过分析开挖过程中围岩的损伤演化，得出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，进而建立开挖过程中围岩力学参数的预测方法。同时，给出了开挖过程中围岩参数演化分析的实施步骤，为开挖应力状态下隧道围岩损伤演化和

8、渐进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度定义的损伤变量，推导出隧道围岩的初始损伤，节理岩体的初始损伤为在该公式中，Vpm和Vpr分别是初始损伤岩体和未损伤岩体的弹性纵波速度。(2)损伤变量与围岩分类的关系表3-1两种常用围岩分类的岩体初始损伤表达式分类工程量清单系统T材料强度服从威布尔分布，荷载作用下变形模量随岩体应变变化的宏观统计损伤演化方程如下：类型，为应变；是一个形状参数，并且是非负的。根据连续损伤力学，有表征材料物理和机械性能的参数是峰值应力、峰值应变和峰值载荷点的割线模量。(5)围岩力学参数的估算通过将每个开挖过程中围岩的力学参数纳入有限元分析，可以预测

9、实际施工过程中围岩的应力、应变和位移，进而提前掌握隧道围岩的承载能力和破坏情况，从而消除以往隧道施工的隐蔽性。同时，可以获得隧道开挖过程中围岩等级的动态变化，实现施工过程中围岩的动态分类。2)在隧道围岩加载和卸载破坏对比分析的基础上，通过综合研究岩体的破坏机理、围岩损伤应力的影响范围以及影响围岩稳定性的各种因素，建立了卸荷条件下的围岩损伤本构关系。然后引入能量耗散理论，研究了卸荷条件下围岩的损伤本构关系，建立了基于能量耗散的损伤本构模型。(1)弹性损伤理论对于给定的损伤场变量，位移分量可以通过微分方程及其相应的边界条件得到。(2)不可逆热力学单位质量凯尔姆霍尔茨自由能(3)能量耗散损伤演化速率

10、方程(4)损伤演化方程裂隙岩体的损伤屈服势函数损伤演化方程：初始损坏阈值在哪里？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。在此基础上，依托毕成隧道，将开挖应力状态下围岩劣化过程的数值模拟方法应用于隧道围岩的弹塑性损伤演化分析。通过分析三、四级围岩隧道开挖过程中围岩损伤演化趋势、围岩变形特征、塑性区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)毕成隧道开挖过程中围岩弹塑性损伤演化分析A) ZK1 087拱顶下沉位移b) ZK1 087周边收敛位移图

11、4.16 ZK1 087孔周围实测位移与模拟位移对比分析A) ZK1 178拱顶下沉位移b) ZK1 178周边收敛位移图ZK1178孔周围实测位移与模拟位移对比分析(zk1 087节；(b)第zk1 178节图3-1隧道开挖过程中弹性模量的变化过程(zk1 087节；(b)第zk1 178节图3-2隧道开挖过程中摩擦角的变化过程(zk1 087节；(b)第zk1 178节图3-3隧道开挖过程中泊松比的变化过程(一)ZK1 087段ZK1 178段图3-4隧道开挖过程中凝聚力的变化过程(3)开挖应力状态下隧道围岩弹塑性损伤演化机理隧道开挖后，围岩应力重新分布。当围岩局部区域的应力超过岩体强度时

12、，围岩将进入塑性或破坏状态。围岩有两种塑性或破坏状态：拉伸破坏和压剪破坏。相对而言，压剪破坏更为常见。当围岩刚进入塑性区时，围岩的物理参数急剧下降，泊松比急剧增加。当围岩完全处于塑性状态时，物理参数变化不大，并逐渐趋于一定值。塑性区的应力释放是通过塑性变形来实现的，是强度的体现图3-6 ZK1 178特征点剖面-曲线ZK1 087段ZK1 178段图3-7隧道开挖过程中的损伤演化过程4)首次建立了基于经验公式和围岩渐进破坏理论的公路隧道围岩压力演化趋势及预测模型。通过两种模型的预测结果与实际监测数据的对比，验证了围岩压力预测模型的可靠性。在此基础上，提出了公路隧道围岩压力演化趋势预测方法。(1

13、)基于经验公式法的围岩压力预测模型岩体评分值与岩体损伤变量的关系；Bieniawski给出的计算围岩压力的经验公式：其中：指隧道跨度和岩石容重。围岩压力、弹性纵波速度与损伤变量之间的关系；其中，它是弹性纵波速度和围岩损伤变量。表3-3围岩压力与，围岩等级RMR(公里/秒)i811005.60.340.19二61804.35.60.340.61(0.200.39)三41603.04.30.610.82(0.400.59)四21401.63.00.820.95(0.600.79)V201.60.950.80(2)基于围岩渐进破坏理论的围岩压力预测模型定义软化模量：弹性模量软化模量():弹性模量随单位塑性应变的损失。内聚软化模量():单位塑性应变的内聚力损失。内摩擦角软化模量():单位塑性应变内摩擦角的损失。a)拟合结果b)-拟合结果c)-拟合结果图3-8基于数值模拟的软化模量