偏压隧道大变形对岩石力学参数敏感性分析

２０１６年第７期　
（总第２６９期）　
黑龙江交通科技　

ＨＥ　ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ　ＪＩＡＯＴＯＮＧ　ＫＥＪ　
Ｎｏ．７，２０１６　

（Ｓｕｍ　Ｎｏ．２６９）　

偏压隧道大变形对岩石力学参数敏感性分析　
邹　浩　
（湖北省地质局第三地质大队，湖北黄冈４３８０００）　

摘要：片岩偏压隧道开挖过程中产生大量大变形问题，严重影响工程进度。为了给隧道围岩稳定性分析　
及支护设计提供必要的围岩力学参数选取依据，采用数值模拟方法，研究了隧道变形对围岩力学参数（弹　
性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角）的敏感性。　
关键词：片岩；隧道偏压；大变形；敏感性分析　
中图分类号：Ｕ４５１　文献标识码：Ｃ　文章编号：１００８—３３８３（２０１６）０７—０１３９—０３　

Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｉａｓ　ｃｈｉｓｔ　ｔｕｎｎｅｌ　
ｔｏ　ｒｏｃｋ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　

ＺＯＵ　Ｈｎｏ　
（Ｔｈｉｒｄ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｔｅａｍ　ｏｆ　Ｈｕｂｅｉ　Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｂｕｒｅａｕ，Ｈｕａｎｇｇａｎｇ，Ｈｕｂｅｉ　４３８０００，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ　１。Ｓ　ｖａｒｉｅｓ　ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｄｕｒｉｎｇ　ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｂｉａｓ　ｔｕｎｎｅｌ，ｗｈｉｃｈ　ｍａｙ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　
ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ｅｖｉｄｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｄｅ－　
ｓｉｇｎ，ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｔｈａｔ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｔｏ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｅｌａｓｔｉｃ　ｍｏｄｕｌｕｓ，Ｐｏｉｓｓｏｎ　ｒａｔｉｏ，ｃｏｈｅｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｒｉｃ－　
ｔｉｏｎ）ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂｙ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．　
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｃｈｉｓｔ；ｂｉａｓ　ｔｕｎｎｅｌ；ｌａｒｇｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　

１　引　言　
大变形是隧道工程开挖中常见问题之一。鄂　
西地区武当群片岩广泛分布，由于片岩各向异性特　
性明显，力学性质较差，且山体起伏程度较大，这样　
的片岩偏压隧道中大变形问题尤为突出。因此，有　
必要深入研究变质软岩隧道大变形机理。　
受试验条件及试验成本等因素的制约，室内物　
理模型试验、现场原位试验等方法均具有较大的局　
限性。数值模拟方法具有简便易行的特点，在隧道　
工程稳定性分析中得到了广泛的应用。然而，数值　
模拟方法也受到一些因素的制约，如：岩体材料力　
学参数准确与否直接决定了数值计算结果的好坏，　
室内或现场试验得到的力学参数可能存在误差，这　
种误差直接导致计算结果严重失真。因此，有必要　
对变形影响因子进行敏感性分析，找出敏感因子，　
以提高数值分析的可靠性。　
针对围岩变形影响因素敏感性分析，许多学者　
开展了研究。侯哲生等利用有限元法研究了某矿　

巷道变形对围岩力学参数的敏感性；黄书岭等针对　
岩体力学参数敏感性分析单指标方法的局限性，提　
出了基于敏感度熵权的属性识别综合评价模型，对　
锦屏二级水电站引水隧洞变形进行了围岩力学参　
数敏感性分析；夏元友采用人工神经网络方法研究　
了边坡稳定性影响因素的敏感性；王者超在室内三　
轴试验的基础上，通过数值模拟方法研究了花岗岩　
地层大型不衬砌地下水封石油洞库围岩完整性参　
数的敏感性；王长柏等采用解析法对南水北调西线　
１期工程３＃引水隧道围岩及衬砌的力学参数开展　
了动应力集中系数敏感性分析；刘宁等；杜玉东等　
采用Ｍｏｎｔｅ—Ｃａｒｌｏ随机有限元理论研究了围岩力　
学参数对变形收敛的影响程度；许建聪等采用层次　
分析法，结合工程实践经验，对影响水下隧道裂隙　
围岩渗流控制的主要因素进行了敏感性分析。　
综上，目前针对地下工程岩体力学参数对变形的　
敏感性分析主要集中在采矿巷道、水电工程地下洞室　
等工程，而对软岩隧道大变形对围岩力学参数的敏感　
性研究较少。本文以鄂西十房高速通省隧道为例，采　

收稿日期：２０１５—１２—０７　
作者简介：邹浩（１９８３一），男，湖北公安人，研究方向：岩土体稳定性评价与防治。　

·
ｌ３９·　
第７期　邹　浩：偏压隧道大变形对岩石力学参数敏感性分析　总第２６９期　
言，隧道围岩变形对内聚力的敏感度较低。　

图４监测点位移与ｃ关系　
４．４　内摩擦角　
内摩擦角‘Ｐ在２０—４０。之间由小到大变化时，　
各监测点位移与内摩擦角之间的关系见图５。　

２０　２五　３ｏ　３５　柏　２Ｏ　２５　３ｏ　３５　∞　
‘　．，‘　

图５监测点位移与‘ｐ关系　
由图４可知，随着内摩擦角ｑｏ增大，各监测点　
的位移变化无明显规律。其中，左洞腰垂直位移随　
内摩擦角增大而呈抛物线形增大，右洞顶水平位移　
随内摩擦角增大而先增大后减小，其他情况下位移　
均无明显变化。可见，仅右侧洞腰的垂直位移和右　
侧洞顶的水平位移对内摩擦角的变化较敏感。　
４．５力学参数敏感性评价　
针对变量进行的敏感性分析过程实质上就是　
求解敏感系数　的过程。敏感系数可以定义为输　
出结果的变化率跟输人参数变化率的比值，即为：　

式中：　是输入的初始值；Ｘ　是后续输入的变化　
值；而Ｆ（　）是所输人初始值在对应模型中计算得　
到的输出值；Ｆ（ＸＬ．　）是后续输入的变化值在对应　
模型中计算得到的输出值。　
根据公式（１），分别计算弹性模量、泊松比、内　
聚力、摩擦角的敏感参数卵的大小，结果见表３。　
表３围岩参数敏感系数　

由上述分析可以得到以下认识：　
（１）整体而言，隧道位移对围岩力学参数的敏　
感性由高到低依次为：泊松比＞摩擦角＞弹性模量　
＞内聚力。但某些局部表现出不同的规律，如右洞　
顶水平方向位移及右洞左腰垂直位移对内摩擦角　
的敏感性明显大于泊松比。　
（２）围岩变形对泊松比的敏感性与变形位置及变　
形方向有较大相关性。如：右洞左腰的水平位移对泊　
松比敏感ｆ生最高，敏感系数为３．４８；左洞左腰水平位移　
次之，为２．００；再次是右洞顶，敏感系数为１．０３；其余敏　
感系数均小于１。可见，隧洞左腰的水平位移对泊松比　
最为敏感。大体上，在同一位置，水平位移对泊松比的　
敏感系数要远高于垂直位移。　
（３）右洞顶水平位移对内摩擦角的敏感性最　
高，敏感系数为２．５；其次是右洞左腰，敏感系数为　
１．６２；其余各部位变形对内摩擦角的敏感系数均小　
于１。整体而言，右侧隧洞位移对内摩擦角的敏感　
性要高于左洞；洞顶水平位移对内摩擦角的敏感性　
远高于垂直位移，洞腰垂直位移对内摩擦角的敏感　
性要远高于水平位移。　
（４）所有监测点位移对弹性模量的敏感性较低，　
且敏感系数较为一致，都接近于０．１。所有监测点位移　
对内聚力的敏感性较低，敏感系数不超过０．１３。　

５结论　
（１）整体而言，隧道变形对围岩力学参数的敏　
感性由大到小依次为：泊松比＞摩擦角＞弹性模量　
＞内聚力。　
（２）围岩变形对泊松比的敏感性与变形位置及　
变形方向有较大相关性；相对而言，隧洞左腰的水　
平位移对泊松比最为敏感；大体上，在同一位置，水　
平位移对泊松比的敏感性远高于垂直位移。　
（３）右侧隧洞位移对内摩擦角的敏感性要高于左　
洞，洞顶水平位移对内摩擦角的敏感性远高于垂直位　
移，对洞腰垂直位移的敏感ｌ生要远高于水平位移。　
（４）隧道隧道变形对片岩力学参数的敏感性表　
现出各向异性特性的主要原因是，片岩属于典型的　
层状岩体，力学性质具有各向异性特征；且隧道围　
岩赋存于偏压的应力环境中，这种不对称的应力导　
致围岩变形表现出非对称的特点。　
参考文献：　
［１］侯哲生，李晓，王思敬，等．金．１ｌＩ二矿某巷道围岩力　
学参数对变形的敏感性分析［Ｊ］．岩石力学与工程学　
报，２００５，２４（３）：４０６—４１０．　
［２］　章光，朱维申．参数敏感性分析与试验方案优化［Ｊ］．　
岩土力学，１９９３，１４（１）：５１—５８．　
［３］　朱维申，何满潮．复杂条件下围岩稳定性与岩体动态　
施工力学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９６．　
［４］　张继勋，姜弘道，任旭华．岩体参数对隧洞围岩稳定　
性影响的敏感性分析［Ｊ］．采矿与安全工程学报，　
２００６，２３（２）：１６９—１７２．　

．
１４１．　

一彩　
一一．　
生Ｆ一，　一一　ｒ