公路隧道初期支護結構與圍巖特性分析＊

李之達 黃 彬 王花平 張瓊武

（武漢理工大學交通學院 武漢 430063）

不同施工工序會影響隧道圍巖穩定性，甚至引起圍巖發生塑性變形和破壞.對于公路隧道，目前較常見的有全斷面法、臺階法和環形法三種開挖法，而不同的開挖法對圍巖的穩定性有較大影響［1－2］，因此，研究不同開挖方式對隧道的影響具有現實意義.

本文以湖北省內某高速公路隧道施工為背景.該隧道為單拱深埋隧道，所處山體整體為單斜構造，植被較發育，緩坡及溝谷地段覆蓋第四系坡洪積碎石土，其余地段基巖出露，出露巖石為絹云鈉長石英片巖，屬硬巖石.隧道全長710m，其中洞身地段主要為IV級圍巖，因此，選取巖質比較差的IV級圍巖為對象，做臺階法和環形法的模擬分析.由此得到隧道產生的應力場和位移場，并結合隧道在開挖過程中常碰到如拱頂塌方、底部拱起、掉快、拱肩破碎等問題，研究其產生的原因，并做最優改進，確立最優的開挖方案，使隧道能夠安全優質的建成.

1 隧道簡介及模型設計

該隧道采用復合式襯砌，建筑限界及內凈空為：建筑限界寬9.0m，高5.0m.內凈空采用拱部單心園方案，凈空面積為55.26m2，凈空周長28.55m.

本文所研究的IV級圍巖屬于鑲嵌型的碎石結構，相對而言容易產生破碎松動，但巖質比較堅硬，有一定的自承能力.隧道開挖會引起圍巖的卸荷回彈、應力重分布和地下水重分布，這些變化可能導致圍巖發生塑性變形和破壞.因此，為充分發揮圍巖自身能力，需要選定最佳開挖方法.

本次模擬分析中，擬定以下2種工況：（1）臺階開挖；（2）環形開挖.

取彈塑性平面應變模型，巖土體材料非線性階段的本構關系取用Ducker－Prager屈服準則.在建模分析時，混凝土和巖體2種不同性質的材料是共同工作的，支護作為骨架結構，采用梁單元的力學模型并與圍巖的二維連續體力學模型結合在一起進行分析.

隧道施工過程的二維仿真分析中，初期支護只考慮錨桿和噴射混凝土的共同作用［3－10］；支護參數根據設計資料和相應規范擬定，其值如表1所列.

根據有限元數值計算特點，對其施工工序做了相應的簡化，處理后的步驟如表2.

表1 圍巖及各結構材料的物理力學參數表

表2 隧道斷面不同開挖方法主要工序

在進行平面模擬分析時，隧道所處矩形圍巖塊的尺寸為100m×80m，邊界采用施加約束的方法，兩側施加滑動支座，使水平位移為0；下側則施加豎向約束，使垂直位移為0；上側為自由邊界.網格劃分時，圍巖選用二維四節點等參單元PLANE42劃分圍巖，用2D的梁單元beam3來模擬襯砌，錨桿用2D的桿單元Link1來模擬.載荷釋放系數取0.6，即初次襯砌承擔60%載荷.

針對不同工況，建立有限元網格劃分模型及其邊界約束條件如圖1所示.

圖1 隧道模型圖

2 計算結果分析

由于地質條件及其它各項參數設定相同，因此，在自重作用下，兩種開挖法對應的位移場和應力場相同，而兩者的區別則體現在初期支護后.這個階段也是隧道施工安全與否和圍巖是否被破壞的關鍵時刻，因此以下具體分析了該階段的應力場和位移場.

2.1 初期支護后的位移場分析

在隧道開挖并進行初期支護后，根據圍巖應力和位移分布規律可知，應力極值一般出現在隧道周邊上，因此沿隧道洞周取關鍵點的位移和應力數據討論.特殊點分別指拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底等位置，如表3所列.

各開挖法所對應的位移云圖見圖2～5所示.

表3 關鍵點的水平（x）和豎向（y）位移值 mm

圖2 臺階開挖X方向位移

圖4 環形開挖X方向位移

圖5 環形開挖X方向位移

對比隧道洞室的關鍵點，從位移圖可知，對于臺階開挖，拱肩和拱腰處，分別產生0.23mm和0.25mm的水平方向位移，在拱頂處，有11.05 mm的沉降，拱肩有10.69mm的垂直位移.對于環形開挖，拱肩和拱腰處各自水平位移為0.24 mm和0.20mm，拱頂沉降為10.36mm，拱肩有較大豎向位移9.90mm.

由上可知，環形開挖所引起的拱頂沉降和橫向位移較小.此外，從兩者的位移云圖可看出臺階開挖時，拱頂處會出現較大面積的向洞內移動的趨勢，而環形開挖發生大變形的面積則相對小得多.從位移數據看，環形開挖相對引起的變形較小.

2.2 初期支護后的應力場分析

同理，在初期支護后，取5個關鍵位置的應力，探討兩種開挖法的開挖特性，其數據如表4所列.

表4 關鍵點處主應力值 MPa

其對應的應力云圖如圖6～9所示.

圖6 臺階開挖最大主應力云圖

圖7 臺階開挖最小主應力云圖

對比兩種開挖法，從模擬數據可知，環形開挖產生的應力相對較小，其最大主壓應力不過1.99 MPa，而最小主壓應力0.33MPa.

由應力云圖可知對于臺階開挖，在拱腳和拱底出現應力集中，拱腳處最大壓應力值達2.87 MPa，拱腰處有最大拉應力約0.29MPa；而環形開挖，拱腰和拱底出現壓應力集中，但區域較小，最大值不過1.99MPa，在拱頂和拱腳處出現拉應力，但其應力值不過0.12MPa.

圖8 環形開挖最大主應力云圖

圖9 環形開挖最小主應力云圖

由該數據表可以看出，對比關鍵部位的應力，可知在拱底處臺階開挖法，產生最大拉應力其值達0.11MPa，拱頂處，有較大拉應力，總體來看，環形開挖法產生的應力相對較小，不易形成塑性區，有利于圍巖穩定.

2.3 不同開挖法的塑性區發展情況

由數值模擬圖可以看出，隧道開挖過程中，不同開挖方法在各個開挖階段隧道主應變場的分布規律不同，其塑性區應力云圖如圖10～11所示.

圖10 臺階開挖法的塑性應變云圖

圖11 環形開挖法的塑性應變云圖

從兩種開挖法的塑性云圖可以看出，在相同條件下，臺階法在拱腰處會產生局部塑性區，而環形法則不會出現塑性區.即在相同圍巖條件下，采用環形開挖在初期支護后幾乎不會產生塑性區.

綜合比較可知，環形開挖所產生的位移場和應力場相對較小，且初期支護后隧道洞周不會出現塑性區，圍巖出現變形破壞和強度破壞的幾率相對小，從安全角度考慮，建議采用用環形法.但如果所在IV級圍巖的巖質相對較好時，可用臺階法，但是必須加強監控.

此外，從兩者開挖到初期支護后的變形和應力特征可得到一些共性結論.（1）較不穩定的是隧道拱頂，有較大沉降，在所承受的拉應力達到一定值時，可能引發掉快、坍塌事故.而拱底在較大壓應力作用下，會向上拱起.（2）隧道拱腳和拱肩處有小范圍的應力集中現象，若其應力達到圍巖屈服強度，則可能引起拱腳部位的局部破壞.

針對以上問題，本文提出改進建議：即在初期支護后，在某些薄弱位置進行局部加強處理.以使隧道損毀率降到最低.

3 結 論

本論文對IV級隧道圍巖的開挖方法進行了力學分析，得出如下結論.

1）通過數值模擬并比較分析可知，環形開挖法產生的變形和應力是較小的，相對而言較安全，在施工中應優先考慮.

2）從兩種開挖法支護后的應力和位移可知，初期支護后，隧道拱頂和拱底是較不穩定部位，存在著沉降和應力較大的問題，因此，在隧道的開挖和支護過程中，應對這些位置進行加強，降低病害的出現，確保隧道施工安全.

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