近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法与流程

本发明涉及隧道工程技术领域，具体涉及一种近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法。

背景技术：

隧道施工工艺对围岩稳定性及工程进度影响较大，现如今高速公路隧道施工普遍采用的施工方法有全断面法、台阶法及单侧壁导坑法。全断面法施工进度快，但是对围岩扰动大，单侧壁导坑法对围岩扰动小，但是工序繁琐，进度慢，台阶法则位于二者之间。

本发明的发明人经过研究发现，大多数地勘资料及隧道设计说明建议V级围岩隧道采用台阶法或导洞法施工，但是设计建议本身未给出施工方案具体的理论依据。另外，大多数隧道施工方案还忽略了岩层的分布特性，对地层中细观结构影响，如层理效应的存在也未深入说明。近水平软硬互层围岩隧道由于层理效应较强使得围岩变形特点明显，且使得初期支护在隧道各个部位的受力有很大的不同，二衬支护时间也可相应缩短。也就不能针对性地在如台阶日进尺、二衬支护时间等方面选取一种合适的施工工艺参数，因此无理论依据，完全凭借经验值选取施工工艺，使得长期以来水平软硬互层围岩隧道的施工工艺方面没能有一个合理的方案，不仅会对工程进度造成影响，而且在各类工序的时间上和经济上都造成了极大的浪费。

技术实现要素：

针对现有技术存在的水平软硬互层围岩隧道施工工艺方面没有一个合理的方案，完全凭借经验选取施工工艺参数值，不仅会对工程进度造成影响，而且在各类工序的时间和经济上都造成了极大浪费的技术问题，本发明提供一种近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法，以砂泥软硬互层围岩为依托，采用数值模拟进行分析，结合现场实际优化方案，得出一种适用于软硬互层围岩隧道施工工艺参数，对类似于水平软硬互层围岩隧道具有借鉴意义，在应用方面具有良好的经济性。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法，所述优化方法包括：

前期参数化模型分析：根据近水平软硬互层隧道围岩的特点，对上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工工艺进行数值模拟验证对比，得出三种施工方法各自的水平收敛值和拱顶下沉值；

生成分析文件：先建立隧道开挖模型并求解，得出上下台阶法施工后水平收敛值和拱顶下沉值，再提取需要用到的优化参数拱顶下沉值，并用优化器中的lgwrite命令将当前信息保存为分析文件；

确定目标函数及优化自变量：所述目标函数为事先设计确定，具体为Minz＝|u_y-u₁|，式中，Min z为优化得出的最优解，u_y为上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值，u₁为单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值＝8.91毫米，所述优化自变量包括上台阶开挖长度参数L，上台阶开挖支护到下台阶开挖的时间间隔参数t₁以及二衬时间参数t₂，所述优化自变量设定的优化范围分别设为：10米<L<20米，5天<t₁<20天，20天<t₂<40天；

迭代优化结果：采用零阶或一阶优化算法计算优化结果，并在获得最优结果或达到预设迭代次数时停止循环计算，且所述优化结果根据以下公式获得：

z＝|u_y-u₁|＝a₀+a₁t₁+a₂t₂+a₃L+b₁t₁²+b₂t₂²+b₃L²+c₁₂t₁t₂+c₂₃t₂L+c₁₃t₁L

式中，z为最优解，u_y为上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值，u₁为单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值＝8.91毫米，a₀、a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁₂、c₂₃、c₁₃均为常数，L为上台阶开挖长度，t₁为上台阶开挖支护到下台阶开挖的时间间隔，t₂为二衬时间；

执行优化分析：执行ANSYS软件中的命令opexe，ANSYS软件会根据所述分析文件生成优化循环文件，所述优化循环文件中记录有每次迭代计算后的优化结果；

查看分析结果：从所述优化循环文件中查看当z＝0即u_y＝u₁＝8.91毫米时，对应的优化自变量参数L、t₁和t₂的值及日进尺量s＝L/t₁的值，即为所述近水平软硬互层围岩隧道施工工艺参数最优结果。

进一步，所述前期参数化模型分析具体包括：

S1、获得围岩相关力学参数：采用岩石常规力学性质试验，按照《岩石物理力学性质试验规程》将所要模拟的隧道围岩加工成直径50毫米、长100毫米的圆柱型标准试件，通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、剪切试验获得围岩相关力学参数，所述力学参数包括弹性模量、泊松比、密度、粘聚力和内摩擦角；

S2、数值模拟过程，其包括以下模拟步骤：

S21、参数定义：对围岩材料属性中包括弹性模量、泊松比、密度在内的线性参数通过ANSYS软件中的mp命令进行定义；并选用ANSYS软件自带的弹塑性本构模型，对围岩非线性分析所需的粘聚力和内摩擦角参数采用tb，creep命令进行定义，且所述岩石参数具体数值均通过步骤S1试验得到；

S22、模型建立：建立隧道开挖模型，并划分网格，模型中要包括初衬和二衬，岩石自上而下为第一砂岩、第一泥岩、第二砂岩、第二泥岩、第三砂岩、第三泥岩和第四砂岩；

S23、模拟地应力：将水平方向的边界进行约束，使得边界在水平方向位移为零；对于竖直方向，底部位移同样进行限制，也为零；顶部是自由面位移不受限制，在顶部施加重力荷载，模拟上覆岩层的自重；同时，该过程中杀死锚杆及衬砌单元，保证原岩应力下锚杆及衬砌无作用；

S24、模拟开挖到初衬：模拟地应力后，采用ekill命令杀死开挖岩体材料单元，进而模拟开挖过程，并采用ealive命令激活锚杆及衬砌材料单元，使其发挥作用，模拟初期支护过程，从而得出上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工方法施工后的水平收敛值和拱顶下沉值。

进一步，所述生成分析文件中建立隧道开挖模型并求解的方法与所述前期参数化模型分析的方法相同。

进一步，所述查看分析结果中当z＝0即u_y＝u₁＝8.91毫米时，对应的优化自变量参数L＝13.305米，t₁＝8.73天，t₂＝26.425天，s＝1.524米/天。

与现有技术相比，本发明提供的近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法，通过前期参数化模型分析针对近水平软硬互层隧道围岩的特点，对上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工工艺进行了数值模拟验证对比，得出单侧壁导坑法较其他两种方法对围岩扰动最小，但是会影响施工进度，在此基础上提出采用上下台阶法施工，使上下台阶法对围岩的扰动逼近单侧壁导坑法，迭代计算出在上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值u_y等于单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值u₁的前提下，与拱顶沉降值u_y相关参数L、t₁、t₂和s的最优结果，根据这些最优结果完成对施工过程中包括上台阶开挖长度L及日进尺量s等参数在内的合理控制，从而实现对施工指导的优化控制。

附图说明

图1a是上下台阶法开挖横断面结构示意图。

图1b是上下台阶法开挖纵断面结构示意图。

图2a是全断面法开挖横断面结构示意图。

图2b是全断面法开挖纵断面结构示意图。

图3是单侧壁导坑法施工方案结构示意图。

图4是本发明提供的隧道模型结构示意图。

图5a是软硬互层围岩隧道上下台阶开挖X方向位移变化示意图(单位：米)。

图5b是软硬互层围岩隧道上下台阶开挖Y方向位移变化示意图(单位：米)。

图6a是软硬互层围岩隧道全断面开挖X方向位移变化示意图(单位：米)。

图6b是软硬互层围岩隧道全断面开挖Y方向位移变化示意图(单位：米)。

图7a是软硬互层围岩隧道单侧壁导坑开挖X方向位移变化示意图(单位：米)。

图7b是软硬互层围岩隧道单侧壁导坑开挖Y方向位移变化示意图(单位：米)。

图8a是上下台阶法上台阶开挖长度优化后围岩在X方向位移变形量(单位：米)。

图8b是上下台阶法上台阶开挖长度优化后围岩在Y方向位移变形量(单位：米)。

图中，11、第一砂岩；12、第一泥岩；13、第二砂岩；14、第二泥岩；15、第三砂岩；16、第三泥岩；17、第四砂岩。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“径向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明提供一种近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法，所述优化方法包括：

前期参数化模型分析：根据近水平软硬互层隧道围岩的特点，对上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工工艺进行数值模拟验证对比，得出三种施工方法各自的水平收敛值和拱顶下沉值；

生成分析文件：先建立隧道开挖模型并求解，得出上下台阶法施工后水平收敛值和拱顶下沉值，再提取需要用到的优化参数拱顶下沉值，并用优化器中的lgwrite命令将当前信息保存为分析文件；

确定目标函数及优化自变量：所述目标函数为事先设计确定，具体为Minz＝|u_y-u₁|，式中，Min z为优化得出的最优解，u_y为上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值，u₁为单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值＝8.91毫米，所述优化自变量包括上台阶开挖长度参数L，上台阶开挖支护到下台阶开挖的时间间隔参数t₁以及二衬时间参数t₂，所述优化自变量设定的优化范围分别设为：10米<L<20米，5天<t₁<20天，20天<t₂<40天；

迭代优化结果：采用零阶或一阶优化算法计算优化结果，并在获得最优结果或达到预设迭代次数时停止循环计算，且所述优化结果根据以下公式获得：

z＝|u_y-u₁|＝a₀+a₁t₁+a₂t₂+a₃L+b₁t₁²+b₂t₂²+b₃L²+c₁₂t₁t₂+c₂₃t₂L+c₁₃t₁L 式(1)

式中，z为最优解，uy为上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值，u₁为单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值＝8.91毫米，a₀、a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁₂、c₂₃、c₁₃均为常数，L为上台阶开挖长度，t₁为上台阶开挖支护到下台阶开挖的时间间隔，t₂为二衬时间；

执行优化分析：执行ANSYS软件中的命令opexe，ANSYS软件会根据所述分析文件生成优化循环文件，所述优化循环文件中记录有每次迭代计算后的优化结果；

查看分析结果：从所述优化循环文件中查看当z＝0即u_y＝u₁＝8.91毫米时，对应的优化自变量参数L、t₁和t₂的值及日进尺量s＝L/t₁的值，即为所述近水平软硬互层围岩隧道施工工艺参数最优结果。

作为具体实施例，所述前期参数化模型分析具体包括：

S1、获得围岩相关力学参数：采用岩石常规力学性质试验，按照《岩石物理力学性质试验规程》将所要模拟的隧道围岩加工成直径50毫米、长100毫米的圆柱型标准试件，通过单轴压缩试验、三轴压缩试验、剪切试验获得围岩相关力学参数，所述力学参数包括弹性模量、泊松比、密度、粘聚力和内摩擦角；

S2、数值模拟过程，其分别对上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法进行施工模拟；请参考图1a和图1b所示，所述上下台阶法施工步骤包括：A1、上台阶开挖，A2、上台阶初期支护及超前预支护，A3、下台阶开挖，A4、下台阶初期支护，A5、仰拱开挖，A6、仰拱及仰拱填充浇筑，A7、拱墙二次衬砌浇筑；请参考图2a和图2b所示，所述全断面法施工步骤包括：B1、全断面开挖，B2、拱和墙初期支护，B3、拱和墙衬砌混凝土浇筑；请参考图3所示，所述单侧壁导坑法施工步骤包括：C1、上台阶中夹岩侧导坑开挖支护，其具体包括：C11、上台阶一区中夹岩侧导坑开挖，C12、导坑初支，先初喷1-3厘米厚，安装锚杆及钢筋网，再装钢架和超前小导管，然后复喷至设计厚度；C2、下台阶中夹岩侧导坑开挖支护，其具体包括：C21、上台阶一区导坑开挖5-10米后，开始下台阶一区中夹岩侧导坑开挖，C22、导坑初支，先初喷1-3厘米厚，安装锚杆及钢筋网，再装边墙、仰拱及中隔墙钢架，然后复喷至设计厚度；C3、上台阶另侧导坑开挖支护，其具体包括：C31、下台阶一区导坑开挖5米后，开始上台阶另侧(即二区)导坑开挖，C32、导坑初支，先初喷1-3厘米厚，安装锚杆及钢筋网，再装拱部钢架和超前小导管，然后复喷至设计厚度；C4、下台阶另侧导坑开挖支护，其具体包括：C41、上台阶二区导坑开挖5-10米后，开始下台阶另侧(即二区)导坑开挖，C42、导坑初支，先初喷1-3厘米厚，安装锚杆及钢筋网，再装边墙和仰拱钢架，然后复喷至设计厚度，C43、拆除中隔墙，浇筑仰拱混凝土，C44、浇筑边墙及拱部衬砌混凝土。

所述数值模拟过程包括以下模拟步骤：

S21、参数定义：对围岩材料属性中包括弹性模量、泊松比、密度在内的线性参数通过ANSYS软件中的mp命令进行定义；并选用ANSYS软件自带的弹塑性本构模型，对围岩非线性分析所需的粘聚力和内摩擦角参数采用tb，creep命令进行定义，且所述岩石参数具体数值均通过步骤S1试验得到；

S22、模型建立：建立隧道开挖模型，并划分网格，模型中要包括初衬和二衬，其模型具体可以参考图1a、图1b、图2a、图2b和图3所示的隧道支护示意图来建立；岩石自上而下为第一砂岩11、第一泥岩12、第二砂岩13、第二泥岩14、第三砂岩15、第三泥岩16和第四砂岩17，具体请参考图4所示的隧道模型示意图；

S23、模拟地应力：将水平方向的边界进行约束，使得边界在水平方向位移为零；对于竖直方向，底部位移同样进行限制，也为零；顶部是自由面位移不受限制，在顶部施加重力荷载，模拟上覆岩层的自重；同时，该过程中杀死锚杆及衬砌单元，保证原岩应力下锚杆及衬砌无作用；

S24、模拟开挖到初衬：模拟地应力后，采用ekill命令杀死开挖岩体材料单元，进而模拟开挖过程，并采用ealive命令激活锚杆及衬砌材料单元，使其发挥作用，模拟初期支护过程，从而得出上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工方法施工后的水平收敛值和拱顶下沉值；具体地，请参考图5a和5b所示，上下台阶法施工后水平收敛值＝3.24-(-2.88)＝6.12毫米，拱顶下沉10.77毫米；请参考图6a和6b所示，全断面法施工后水平收敛值＝4.672-(-4.087)＝6.12毫米，拱顶下沉14.52毫米；请参考图7a和7b所示，单侧壁导坑法施工后水平收敛值＝2.413-(-2.364)＝4.777毫米，拱顶下沉8.91毫米。

作为具体实施例，所述生成分析文件中建立隧道开挖模型并求解的方法与所述前期参数化模型分析的方法相同，由此得到上下台阶法施工后水平收敛值6.12毫米和拱顶下沉值10.77毫米，再从中提取需要用到的优化参数拱顶下沉值u_y，并用优化器中的lgwrite命令将当前信息保存为分析文件，其具体可以采用语句：lgwrite，’A’，’lgw’实现。

作为具体实施例，在所述确定目标函数中，由于在上下台阶法施工结果中，近水平软硬互层围岩水平收敛变化数值较拱顶下沉值更小，目标函数表示将上下台阶法拱顶下沉模拟数值逼近单侧壁导坑法拱顶下沉模拟数值，来得出最优解，由前述可知，单侧壁导坑法施工后拱顶下沉值u₁为8.91毫米；而Min z的理论值最小为0，此时u_y＝u₁即是想要得到的最优解。同时，作为一种实施方式，所述优化自变量的设定范围采用opvar命令来完成，如opvar，t1，dv，5，20，即表示时间间隔参数t1设置的优化范围为5-20。

作为具体实施例，所述零阶优化算法只用到因变量本身，未利用因量的导数，因而称为零阶方法，其算法命令为：optype，subp；其本身是一种函数逼近优化算法，其近似式如前述式(1)所示。所述一阶优化算法用因变量的导数来决定并获得优化结果，因而称为一阶方法，其算法命令为：optype，first；因为优化过程中没有近似，因此也更为精确，即对式(1)中因变量求导。每次迭代设计多次分析，即对分析文件进行多次循环，以确定最合适的优化结果，例如使用上下台阶法允许最大迭代次数为30次的命令为：Opfrst，30；优化结束后，会得到一个文本文档即优化循环文件，得到的优化参数将会在文本文档中列出或记录，其中会有一组参数值为最佳参数数值。

作为具体实施例，经过多次迭代如10次，得到最优结果，如下表1示：

表1：

从上表1可以看出，当z＝0即u_y＝u₁＝8.91毫米时，对应的优化自变量参数L＝13.305米，t₁＝8.73天，t₂＝26.425天，s＝L/t₁＝1.524米/天，按此工艺参数进行施工指导，即可实现上下台阶法与单侧壁导坑法对围岩扰动效果相近。具体请参考图8a和8b所示，图8a为隧道断面成型后，围岩X方向的位移量，其最大变形量在拱脚处为3.72毫米，且可以看出拱腰处的水平收敛值为2.912-(-2.713)＝5.63毫米；图8b为Y方向的变形，可以看出拱顶最大沉降量约为8.91毫米，由于拱底处泥岩本身的强度较砂岩更低的特性，因而拱底变形较大，约为14.10毫米。

与现有技术相比，本发明提供的近水平软硬互层围岩隧道施工工艺优化方法，通过前期参数化模型分析针对近水平软硬互层隧道围岩的特点，对上下台阶法、全断面法和单侧壁导坑法三种施工工艺进行了数值模拟验证对比，得出单侧壁导坑法较其他两种方法对围岩扰动最小，但是会影响施工进度，在此基础上提出采用上下台阶法施工，使上下台阶法对围岩的扰动逼近单侧壁导坑法，迭代计算出在上下台阶法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值u_y等于单侧壁导坑法施工断面成型后围岩的拱顶沉降值u₁的前提下，与拱顶沉降值u_y相关参数L、t₁、t₂和s的最优结果，根据这些最优结果完成对施工过程中包括上台阶开挖长度L及日进尺量s等参数在内的合理控制，从而实现对施工指导的优化控制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。