软弱围岩隧道施工过程围岩参数反演及仿真分析

陈 军

(云南建设基础设施投资股份有限公司 昆明 650217)

隧道施工的实践经验和相关文献调研表明，软弱围岩隧道施工风险大，多发坍塌事故的主要原因是地质情况和围岩参数复杂，设计阶段不能确定有针对性的围岩支护参数，而施工阶段软弱围岩隧道围岩变形速度快，设计变更过程又较复杂，导致施工现场不能实时优化开挖方法和支护方案，引起事故的发生，因此，隧道施工阶段需要有一种方法可以预测围岩的位移和受力[1-2]，从而指导现场施工和设计变更。鉴于此，本文结合软弱围岩隧道施工实际情况，建立数值计算模型和基于改进的遗传神经网络，并结合现场实测的监控量测数据，通过一种逆向反演的方式推算出围岩的力学参数，基于推算出的围岩力学参数进行数值计算，一方面可以与现场监控量测数据进行比较，验证反演系统和仿真模型的准确性，另一方面可以通过进一步的计算实现沉降值、收敛值的预测，提早发现薄弱面，有效预防可能出现的破坏，实现一种更主动有效的隧道设计、施工控制模式[3-4]。

1 BP神经网络与遗传算法相结合的围岩参数反演

遗传算法在给定目标函数和多约束条件下，具有多目标优化能力，BP网络具有对未输入目标进行预测的泛化能力。通过遗传算法和改进的BP神经网络，可实现岩土通常参数的反演[5]。其实现步骤如下。

1) 确定反演参数，按正交试验法建立各参数的水平组合。

2) 建立数值计算模型，进行反演参数各水平组合下的数值计算，获得相应的位移值，将参数组合值和对应的位移值作为反演计算的输入和输出学习样本。

3) 建立神经网络算法的计算参数与响应量的全局映射关系，并建立求解岩土参数所需的目标函数。

4) 将学习样本和实测位移数据代入编制好的反演程序中，分析出满足运算终止条件的最优解，此最优解即为待反演围岩参数目标值。

5) 将反演出的隧道围岩参数代入FLAC3D数值计算程序，计算出隧道围岩位移值。并将数值计算得到的围岩位移值与监控量测的围岩位移值进行对比，验证反演程序和仿真模型的准确性。

1.1 正交试验设计

正交试验是进行多因素试验安排的一种高效的试验设计方法，它根据试验因素的水平组合，选择有代表性的一部分水平组合进行试验，分析了解全面的试验情况，可作为得到反演系统样本集的有效方法[6]。

1) 因素及对应水平的确定。围岩的主要力学参数弹性模量E、泊松比μ、黏聚力c和内摩擦角φ，可作为正交分析的4个因素。通过地质勘测、现场试验及相关类似工程的数据，可以确定软弱围岩力学参数取值范围为E：5～20 MPa；μ：0.3～0.45；φ：15°～30°；c：20～50 kPa。正交设计水平一般取2～4个为宜，为了使分部更具代表性同时考虑计算量的大小，所有参数均选择4个水平，具体的因素与水平分部见表1。

表1 围岩参数因素水平表

2) 正交试验表设计。常用的正交表已由数学工作者制定出来。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。此试验为4因素4水平试验，不考虑交互作用，选L16(45)最合适，并确定出试验方案和围岩参数取值。

1.2 仿真模型建立

隧道全长525 m，洞身穿越自稳性差的第四系上更新统风积砂质黄土地层及强风化砂岩夹泥岩结构地层，围岩等级为Ⅴ级。入口段埋深30 m左右，洞身最大开挖高度10.39 m，最大开挖宽度11.56 m，隧道采用CRD法施工，共6个开挖分部，每开挖分部间隔3 m，二衬到最近掌子面距离为12 m左右，支护参数为V级围岩复合式加强衬砌，锁脚锚杆和系统锚杆长度为3.5 m，每开挖进尺21根系统锚杆沿开挖边界等间距布置，初支厚度为25 cm，二次衬砌厚度为45 cm，横竖撑厚度为25 cm，开挖进尺为60 cm。应用FLAC3D有限差分软件建立模型，埋深取隧道开挖区平均埋深值，模型尺寸为长×宽×高=33 m×100 m×110 m。

1) 隧道开挖模拟。为了和实际施工工况保持一致，模型的开挖顺序、掘进进尺等均按照实际进行模拟，实际施工中各分部开挖顺序与模型模拟的开挖顺序示意图见图1。

图1 仿真分析中模型的开挖顺序

2) 隧道支护系统模拟。模型中的系统锚杆及锁脚锚杆采用cable单元进行模拟，初衬喷射混凝土采用solid单元，二衬采用结构单元shell

单元，横向、竖向的临时支撑则采用solid单元进行模拟，具体的模型支护体系见图2。

图2 仿真模型支护系统

1.3 正交试验及参数反演

隧道施工过程中，在拱顶和墙腰的同一断面布置位移监测点，并按《铁路隧道监控量测技术规程》相关要求进行位移监测。

通过正交试验确定的16组围岩力学参数,分别代入利用FLAC3D有限差分软件建立的仿真模型中计算,则可分别得到16组试验的围岩拱顶沉降和周边收敛数据见图3～图6。

图3 试验1～8组的拱顶沉降曲线图

图4 试验1～8组的洞内收敛曲线图

图5 试验9～16组的拱顶沉降曲线图

图6 试验9～16组的洞内收敛曲线图

由图3～图6可见，相同断面的拱顶沉降值与洞内收敛值的变化趋势大体相同，绝对量上成正相关关系，这与隧道结构变形的实际情况相符,也与隧道监测的数据在趋势上吻合。隧道掘进起点附近的监测点受到模型边界条件的影响较大,与实际监测结果有明显差距,但是从距掘进起点6 m左右开始,沉降和收敛趋势趋于正常，与现场监测结果趋势相符。距掘进起点7.5 m左右时沉降和收敛值均趋于最大值,距起点18～20 m区段,沉降值和收敛值趋势稳定,但距起点19.5 m之后,拱顶沉降和洞内收敛开始有明显减小趋势,因此，选取距掘进起点7.5 m和19.5 m这2个断面作为典型反演断面。这2个断面距最远掌子面的距离分别为22.5 m和10.5 m。

通过数值计算，得到典型断面试验组在相应围岩参数下的拱顶沉降值和周边收敛值,见表2。

表2 正交试验方案结果统计表

将表2中通过正交试验确定的围岩力学参数和数值计算得到的围岩位移参数带入反演程序，利用MATLAB程序进行反演计算，得到围岩的反演参数：E=10.397 1 MPa，μ=0.433 9，φ=17.834 5，c=41.199 4 kPa。

2 仿真模型验算

判断围岩参数的反演值是否准确，还需要进行进一步的仿真模型验算。由于反演分析的模拟工况为某隧道的施工工况，验算模型与原采样计算模型相同，所以将反演得到的围岩力学参数值直接代入原模型进行计算则可得隧道围岩的整体变形情况，见图7和图8。

图7 隧道开挖的整体沉降云图

图8 水平方向隧道整体位移云图

由图7可见，隧道上方土体受自身重力作用，形成完整的自平衡应力拱，位移向上传播范围约为20 m；由于土体的流塑性较强，隧道底部土体开挖后，土体应力释放而产生的回弹变形较大。由图7～图8可见，虽然CRD法分部开挖对沉降和水平位移分部有影响，但是从整体的沉降和收敛趋势来看，其影响并不大，大体上呈对称变形。

通过对模型计算结果7.5 m和19.5 m处取剖面图，可以得到断面7.5 m和断面19.5 m处的沉降和水平收敛云图，见图9～图12。提取2个断面隧道变形数据则可得模型计算值与实测值的对比情况，见表3。

图9 断面7.5 m处沉降云图

图10 断面7.5 m处水平位移云图

图11 断面19.5 m处沉降云图

图12 断面19.5 m处水平位移云图

表3 验算模型隧道变形值与实测值对比表

由表3可见，利用反演参数进行模型验算所得出的隧道典型断面拱顶沉降值、周边收敛值与隧道施工过程中实测值吻合良好，二者的最大偏差不到4%。说明反演程序的编制和仿真模型的建立是合理的，将反演参数代入仿真模型对典型断面沉降值和收敛值的预测是较为准确的。

提取仿真模型中其他断面的拱顶沉降值和周边收敛值，与现场实测数据进行对比，见图13和图14。

图13 模型沉降值与实测沉降值曲线图

图14 模型周边收敛值与实测周边收敛值曲线图

由图13和图14可见，其他断面的拱顶沉降值和周边收敛值的整体趋势与实测值吻合良好，说明反演参数不仅对提供反演数据样本的典型断面有效，对该开挖区段内的其他断面位移预测也是较准确的。

3 结论

1) 岩土工程现象的规律复杂，影响因素多，具有非线性特点，如果单纯采用BP算法分析，往往需要很长的收敛时间，而且容易陷入局部最小解。本文编制的改进BP神经网络与遗传算法结合的反演程序，先用改进的BP网络对正交试验的样本集进行训练，再用遗产算法求解得到最优解。减小了数值计算的工作量，使得求解的收敛数据更快且避免了局部最小解问题的出现。

2) 通过正交试验确定反演计算所需的围岩力学参数样本集，以隧道实际施工工艺为标准，建立仿真数值计算模型并计算得到围岩拱顶位移和周边收敛位移样本集，将围岩力学参数样本集和位移参数样本集代入编制好的MATLAB程序，进行反演计算，可得到围岩的力学参数取值，可为隧道工程设计、施工和隧道结构变形受力分析提供参考。

3)将反演得到的围岩力学参数代入仿真数值计算模型，进行数值计算，计算得到的拱顶沉降位移值和周边收敛位移值与实测值相近，误差不到4%，说明反演程序的编制和仿真数值计算模型的建立是可靠的，可以对已反演岩层一定范围内相似岩层的位移和应力进行预测，从而指导现场施工和设计变更，为优化围岩支护方案和施工方案提供指导依据。