黃土隧道圍巖應力釋放對初期支護受力的影響分析

郭香紅

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

黃土公路隧道因其圍巖壓力和參數的不確定性，長期以來工程界對其結構設計仍然采用工程類比法。隧道開挖導致的圍巖應力解除引起圍巖應力的重分布。大量工程實踐表明，隧道開挖后應力調整和圍巖變形都不是瞬間完成的，其不僅與隧道結構設計尺寸、開挖方法、支護施作時機、輔助施工措施等因素有關，而且還與工程地質條件、埋深等因素密切相關，因此圍巖應力釋放率的確定是個非常困難的問題[1-2]。加之黃土特殊的工程性質，在黃土隧道開挖過程中，初期支護受力分析多采用荷載結構法，按荷載釋放法考慮不同應力釋放率對支護結構受力性能影響的參考文獻不多，所得結果不能真實地反映支護結構的受力情況。為進一步了解圍巖應力釋放對黃土隧道初期支護受力的影響，筆者結合山西省岢臨高速公路某黃土隧道，采用ANSYS有限元軟件對其進行施工階段開挖模擬，研究不同的應力釋放率對初期支護受力的影響。

1 應力釋放原理

應力釋放法核心思想就是求出開挖前開挖邊界處的開挖體對圍巖的支撐力，重建此支撐力，然后控制其釋放規律以實現不同應力釋放率的控制目的[2]。第k步開挖，挖去m個單元后，在此單元的全部節點上所產生的釋放荷載節點力向量為：

2 計算模型和分析參數

將土體視為連續、均勻、各向同性介質，采用D-P屈服準則，在計算分析中僅考慮黃土自重應力，不考慮構造應力的影響[3]。模擬分析時采用的邊界條件為：地表取為自由邊界；左右邊界約束其水平方向的自由度；下邊界約束其豎直方向自由度，建立的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 計算分析采用的有限元模型

圖2 只考慮工字鋼和噴混凝土作用的橫截面圖

為簡化計算不考慮鋼筋網片、縱向連接筋的作用效果，以一榀鋼拱架左右側間距的一半為研究對象，其等效彈性模量和密度分別按式（2）和式（3）計算：

式中：Eg、Ec為工字鋼和噴混凝土彈性模量；Sg、Sc為研究對象中工字鋼和噴混凝土橫截面面積；ρg、ρc為工字鋼和噴混凝土密度。

計算參數的選取參照此隧道巖土工程勘察報告和初期支護參數設計文件，并結合《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)中5.2.6和附錄C型鋼特性參數表中的C.0.1[4]。采用TSZ-3型應變控制式三軸儀對核心土處的原狀土進行圍壓分別為50 kPa、100 kPa和200 kPa的3組試驗，較精確地測出土體的c值和φ值；原狀土密度采用環刀法測定，其值為2.12 g/cm3。

表1 數值分析中采用的土體和支護結構力學參數表

3 計算工況

為探討應力釋放率對初期支護結構內力影響規律，分別考慮了圍巖應力釋放率為20%，40%，50%，60%，80%和100%的6種工況。左右洞起拱線作為上下臺階的分界線，計算分析按照開挖左上臺階→支護左上臺階→開挖左下臺階→支護左下臺階→開挖右上臺階→支護右上臺階→開挖右下臺階→支護右下臺階的順序進行；埋深較淺側為先行洞，埋深較深側為后行洞。

4 結果分析

不同應力釋放率下，先后行洞初期支護軸力分析結果如表2所示，各應力釋放率下初期支護的彎矩和剪力結果整理如圖3～圖6所示。

表2 不同應力釋放率下初期支護軸力表 kN

分析結果表明，不同應力釋放率下，先后行洞初期支護軸力相差不大，僅在釋放率為20%和100%時出現了拉力，后者約為前者的3.6倍，其他各釋放率下初期支護軸力均為壓力。應力釋放率50%情況下初期支護承受的軸力僅比釋放率40%情況下高7.08%，僅比釋放率60%情況下高0.78%。

圖3 初支最大正彎矩與應力釋放率的關系

圖4 初支最大負彎矩與應力釋放率的關系

分析結果表明，不同應力釋放率下先后行洞初期支護施工完畢后，其所承受的最大正、負彎矩不同；在應力釋放率低于50%時，釋放率越小，初期支護承受的正、負彎矩越大，釋放率為50%時初期支護承受的正、負彎矩最小，高于50%時初期支護承受的正、負彎矩整體上大于釋放率低于50%時的情況。

圖5 初支最大正剪力與圍巖應力釋放率的關系

圖6 初支最大負剪力與圍巖應力釋放率的關系

分析結果表明，不同應力釋放率下先后行洞初期支護施工完畢后，其所承受的最大正、負剪力不同；在應力釋放率低于50%時，釋放率越小，初期支護承受的正、負剪力越大，釋放率為50%時初期支護承受的正、負剪力最小，高于50%時初期支護承受的正、負剪力整體上大于釋放率低于50%時的情況。

5 結論

a）采用應力釋放法可合理地模擬黃土隧道的臺階法施工過程，較為準確地反映出隧道在開挖支護過程中初期支護結構的受力情況。

b）合理控制圍巖應力釋放比例，允許圍巖有一定程度的變形，同時限制圍巖的位移量，可以有效地避免圍巖變形過大而產生嚴重的松弛卸載現象，減少支護結構的受力。

c）上半斷面圍巖開挖完成而仰拱還未施作時，初期支護結構受力最為不利，為安全起見應盡早施作仰拱，形成封閉的結構受力體系。