自1987年北京地鐵首次采用暗挖法建成了復(fù)興門車站折返線工程以后，“隧道及地鐵淺埋暗挖工法”由于其靈活多變、適用復(fù)雜多變的地層及隧道斷面結(jié)構(gòu)、設(shè)備簡單、不干擾交通及周邊環(huán)境等眾多優(yōu)點(diǎn)，已在全國廣泛推廣應(yīng)用。淺埋暗挖施工強(qiáng)調(diào)“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測、速反饋”的施工原則，在施工中特別注重測量數(shù)據(jù)的反饋，指導(dǎo)后續(xù)施工，確保地鐵施工對周邊環(huán)境的環(huán)保和安全要求。

　　北京地鐵4號線全長28千米，共設(shè)24座車站，以豐臺(tái)區(qū)的公益西橋站為起點(diǎn)，終止于大興區(qū)的安河橋北站，連接北京南站、西單、動(dòng)物園、中關(guān)村等重要交通樞紐、商業(yè)區(qū)，是北京南北交通的主動(dòng)脈之一。為之，聯(lián)合風(fēng)險(xiǎn)評估單位、施工單位，研究建立依據(jù)現(xiàn)場量測信息反演確定地層有關(guān)參數(shù)值，進(jìn)而正算預(yù)測后續(xù)施工變形的反演分析勢在必行?；谝陨系目紤]，論文結(jié)合北京地鐵四號線暗挖法隧道施工實(shí)際，詳細(xì)探討反演理論在淺埋暗挖隧道工程施工中的應(yīng)用，以期指導(dǎo)四號線淺埋暗挖法隧道施工，確保周邊建(構(gòu))筑物的安全。

　　1 隧道工程問題反演理論概述

　　由于隧道圍巖條件的復(fù)雜性和不可預(yù)見性，使得隧道地層工程材料性狀參數(shù)的確定問題一直是人們定量分析這一工程領(lǐng)域中的各種行為、現(xiàn)象的主要障礙?；诂F(xiàn)場變形量測的位移反演分析法成了解決這一問題的有效手段。根據(jù)量測信息的類型，反演分析問題可分為位移反分析法，應(yīng)變反分析法和應(yīng)力反分析法三類。在隧道和地下工程中，由于位移測量方便、精度高，位移反分析是其最為常用的反分析方法。北京地鐵四號線即采用位移反分析法。

　　反演分析方法有正反分析法和逆反分析法之分，兩者的主要不同點(diǎn)在于求解過程不一致。逆反分析法是依據(jù)矩陣求逆原理建立反演計(jì)算法，在待求未知量和現(xiàn)場量測信息之間直接建立關(guān)系式，通過求解依據(jù)矩陣求逆原理建立的方程組得出結(jié)果。這類方法程序編制方便、計(jì)算方法靈活、適應(yīng)性強(qiáng)，目前應(yīng)用較為廣泛。為之，北京地鐵四號線推薦采用位移反分析正算分析法。

　　2 位移反演理論研究的目標(biāo)未知數(shù)

　　在力學(xué)范疇內(nèi)，隧道工程位移反演理論屬于正演理論的反問題。與正演分析理論的研究方法相同，建立求解這類問題的方法時(shí)也需預(yù)先確定基本未知數(shù)，然后建立求解基本未知數(shù)的方程組。隧道與地下工程反演理論的目標(biāo)未知數(shù)主要有初始地應(yīng)力、結(jié)構(gòu)荷載和圍巖或地層材料特性參數(shù)三類。

　　2.1初始地層應(yīng)力(原始應(yīng)力)

　　初始地層應(yīng)力(原始應(yīng)力)是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力。產(chǎn)生地應(yīng)力的原因十分復(fù)雜，至今尚不十分清楚。通過多年來的工程實(shí)測和理論分析表明，地應(yīng)力形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入或其它物理化學(xué)等也可引起相應(yīng)的應(yīng)力場。其中，構(gòu)造應(yīng)力場和重力應(yīng)力場是現(xiàn)今地應(yīng)力場的主要組成部分。通過理論研究、地質(zhì)調(diào)查和大量的地應(yīng)力測量資料的分析研究，已經(jīng)初步認(rèn)識(shí)到淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律。

　　就北京地鐵四號線而言，由于隧址區(qū)為第四紀(jì)新近沉積物，其地應(yīng)力以自重應(yīng)力為主，即為自重應(yīng)力場。由地心引力引起的應(yīng)力場稱為重力應(yīng)力場，它是各種應(yīng)力場中唯一能夠計(jì)算的應(yīng)力場。因此，原始地應(yīng)力根據(jù)埋深即可相對準(zhǔn)確確定，無需反演計(jì)算。

　　2.2 襯砌結(jié)構(gòu)荷載

　　作用在隧道和地下結(jié)構(gòu)上的荷載有多種，隧道反演分析主要是分析在與地層接觸面上支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的荷載，即地層壓力。70年代以前，人們普遍認(rèn)為這類荷載主要由開挖后地層中出現(xiàn)的松散體引起，并常在巖石隧道的設(shè)計(jì)中將其稱為山體壓力或山巖壓力。70年代起，隨著巖土介質(zhì)的受力變形性態(tài)隨時(shí)間而變化的特點(diǎn)逐漸被認(rèn)識(shí)，人們開始接受形變壓力的概念，即認(rèn)為地層壓力主要是支護(hù)結(jié)構(gòu)在與地層連成一體共同發(fā)生變形的過程中接受的荷載。同時(shí)，也是支護(hù)與圍巖相互作用、行變壓力隨時(shí)間增長等的原因。因此，評價(jià)隧道穩(wěn)定性時(shí)必須考慮地層壓力和變形隨時(shí)間變化的流變特性。

　　2.3地層材料特性參數(shù)

　　地層材料特性參數(shù)的種類和個(gè)數(shù)與地層材料在受力變形時(shí)顯現(xiàn)的性態(tài)有關(guān)。處于彈性受力時(shí)，地層的特性參數(shù)為彈模E和泊松比μ，處于彈塑性受力狀態(tài)時(shí)，則需增加內(nèi)聚力C和內(nèi)摩擦角φ，處于粘彈性受力狀態(tài)時(shí)，用于描述材料受力后發(fā)生的變形隨時(shí)間而變化的參數(shù)與選用的模型有關(guān)。同時(shí)，土層參數(shù)中泊松比μ測定相對而言比較接近實(shí)際值，且其值對位移的變化影響甚微，因此，分析中假定泊松比值不變，取工程地質(zhì)資料提供數(shù)值。

　　3 北京地鐵四號線位移反演方法

　　3.1施工現(xiàn)場地質(zhì)資料的收集

　　地質(zhì)信息主要包括隧道周邊巖土介質(zhì)的種類和展布、地層走向等主要工程地質(zhì)構(gòu)造特征，以及容重、彈性模量、泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角和聲波速度等描述地層介質(zhì)主要物理力學(xué)特性的參數(shù)等。這類地質(zhì)調(diào)查主要用于檢驗(yàn)在工程開工前所作的工程地質(zhì)條件評價(jià)的正確性，并在必要時(shí)隨時(shí)做出修正，用以指導(dǎo)施工和作為對原有設(shè)計(jì)進(jìn)行修改的依據(jù)。

　　3.2暗挖隧道工程信息

　　工程信息可分為由工程設(shè)計(jì)提供的信息和由工程施工實(shí)錄提供的信息，即設(shè)計(jì)信息和施工信息。設(shè)計(jì)信息主要包括工程總體和單體的建筑布置、支護(hù)形式、接頭構(gòu)造、開挖步驟、分部開挖尺寸、支護(hù)施工步驟和使作時(shí)間等。如果按在施工過程中發(fā)生的實(shí)際情況進(jìn)行反演分析計(jì)算，可望得到較為精確的結(jié)果。

　　在諸多施工信息中，超欠挖量對反演分析計(jì)算常有顯著的影響，故對發(fā)生在儀表設(shè)置斷面附近的超欠挖量應(yīng)采用較為精密的量測工具。

　　在進(jìn)行反演分析和施工監(jiān)控設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)信息常是確定監(jiān)測斷面和計(jì)算簡圖的主要依據(jù)，施工信息則常用于提供正確尺寸和確定合適的巖土介質(zhì)材料模型。

　　3.3現(xiàn)場量測信息

　　在工程施工中可由現(xiàn)場量測獲取的信息可分為位移量和應(yīng)力增量二類。

　　3.3.1 位移量測

　　由隧道開挖引起的地層位移可分為在隧道表面上發(fā)生的位移和在土層內(nèi)部發(fā)生的位移兩類，即收斂位移和域內(nèi)位移或場位移。由于量測在地層各點(diǎn)發(fā)生的位移量的絕對值比較困難，在工程中采集的位移量信息通常都是測點(diǎn)之間的相對位移。

　　(1)收斂位移量測：洞室收斂位移一般采用收斂計(jì)量測。使用較多的是卷尺式引伸儀，它讀數(shù)穩(wěn)定、重量輕、操作方便，所得的數(shù)據(jù)精度達(dá)到用作位移反分析計(jì)算依據(jù)的要求。

　　(2)場位移量測：場位移一般采用位移計(jì)量測。按有單個(gè)位移計(jì)可以測取的位移量的個(gè)數(shù)，位移計(jì)可分為單點(diǎn)式和多點(diǎn)式兩類。單點(diǎn)式構(gòu)造簡單，但僅能測取一個(gè)位移量，多點(diǎn)式的優(yōu)缺點(diǎn)則相反。多點(diǎn)式又可分為電測式和機(jī)械式兩類，電測式靈敏度高，但不夠穩(wěn)定，機(jī)械式靈敏度雖不如電測式，但讀數(shù)穩(wěn)定，目前多采用。

　　3.3.2應(yīng)力量測

　　可用作反演計(jì)算依據(jù)的應(yīng)力信息可分為擾動(dòng)應(yīng)力、接觸應(yīng)力和構(gòu)件內(nèi)力信息等三類，擾動(dòng)應(yīng)力指由洞室開挖引起的圍巖應(yīng)力的變化量，接觸應(yīng)力是噴層或襯砌結(jié)構(gòu)在與地層共同經(jīng)受變形的過程中在接觸面上發(fā)生的應(yīng)力，構(gòu)件內(nèi)力是襯砌結(jié)構(gòu)在受力變形過程中構(gòu)件截面承受的內(nèi)力。

　　3.4 反演計(jì)算的基礎(chǔ)思路

　　3.4.1 位移反分析結(jié)合應(yīng)力條件

　　位移量和應(yīng)變量雖然都可用作建立反演計(jì)算方程式的依據(jù)，卻都不能為圍巖參數(shù)的確定提供必要的方程式。鑒于應(yīng)變分量一般是位移分量的確定函數(shù)，故可據(jù)以建立用以確定圍巖參數(shù)的補(bǔ)充方程式的信息，只能是應(yīng)力增量量測信息。在工程中，現(xiàn)場實(shí)際測得的位移和應(yīng)變是統(tǒng)一的，只要任意測得其中之一既可計(jì)算出另一量。

　　與位移量測信息相比較，應(yīng)力量測信息是獨(dú)立的物理量，可用于建立反演確定E，

　　值的方程式。易見，在所有獨(dú)立位移量測信息已被用作反演計(jì)算依據(jù)的前提下，如以應(yīng)力量測信息為依據(jù)建立反演確定圍巖彈性常數(shù)的補(bǔ)充方程式，則獨(dú)立補(bǔ)充方程式的個(gè)數(shù)必為兩個(gè)，與多余未知數(shù)僅為E，

　　兩個(gè)相符。

　　3.4.2 收斂限制法反演分析

　　收斂限制法的基本原理是利用圍巖特性曲線(圍巖收斂曲線)和支護(hù)特性曲線(支護(hù)限制曲線)交會(huì)的方法，決定圍巖、支護(hù)體系的最佳平衡條件。

　　地下工程的支護(hù)理論，必須建立在巖體與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間相互作用的基礎(chǔ)上，支護(hù)的作用不只是被動(dòng)地承受荷載，而是避免巖體過分的松動(dòng)和強(qiáng)度的降低，保持圍巖體具有較好的自身穩(wěn)定性，為此，需要從有效地限制圍巖變形發(fā)展著手，做到適時(shí)地構(gòu)筑支護(hù)結(jié)構(gòu)。

　　參 考 文 獻(xiàn)

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