公路隧道初期支护结构与围岩特性分析＊

李之达 黄 彬 王花平 张琼武

（武汉理工大学交通学院 武汉 430063）

不同施工工序会影响隧道围岩稳定性，甚至引起围岩发生塑性变形和破坏.对于公路隧道，目前较常见的有全断面法、台阶法和环形法三种开挖法，而不同的开挖法对围岩的稳定性有较大影响［1－2］，因此，研究不同开挖方式对隧道的影响具有现实意义.

本文以湖北省内某高速公路隧道施工为背景.该隧道为单拱深埋隧道，所处山体整体为单斜构造，植被较发育，缓坡及沟谷地段覆盖第四系坡洪积碎石土，其余地段基岩出露，出露岩石为绢云钠长石英片岩，属硬岩石.隧道全长710m，其中洞身地段主要为IV级围岩，因此，选取岩质比较差的IV级围岩为对象，做台阶法和环形法的模拟分析.由此得到隧道产生的应力场和位移场，并结合隧道在开挖过程中常碰到如拱顶塌方、底部拱起、掉快、拱肩破碎等问题，研究其产生的原因，并做最优改进，确立最优的开挖方案，使隧道能够安全优质的建成.

1 隧道简介及模型设计

该隧道采用复合式衬砌，建筑限界及内净空为：建筑限界宽9.0m，高5.0m.内净空采用拱部单心园方案，净空面积为55.26m2，净空周长28.55m.

本文所研究的IV级围岩属于镶嵌型的碎石结构，相对而言容易产生破碎松动，但岩质比较坚硬，有一定的自承能力.隧道开挖会引起围岩的卸荷回弹、应力重分布和地下水重分布，这些变化可能导致围岩发生塑性变形和破坏.因此，为充分发挥围岩自身能力，需要选定最佳开挖方法.

本次模拟分析中，拟定以下2种工况：（1）台阶开挖；（2）环形开挖.

取弹塑性平面应变模型，岩土体材料非线性阶段的本构关系取用Ducker－Prager屈服准则.在建模分析时，混凝土和岩体2种不同性质的材料是共同工作的，支护作为骨架结构，采用梁单元的力学模型并与围岩的二维连续体力学模型结合在一起进行分析.

隧道施工过程的二维仿真分析中，初期支护只考虑锚杆和喷射混凝土的共同作用［3－10］；支护参数根据设计资料和相应规范拟定，其值如表1所列.

根据有限元数值计算特点，对其施工工序做了相应的简化，处理后的步骤如表2.

表1 围岩及各结构材料的物理力学参数表

表2 隧道断面不同开挖方法主要工序

在进行平面模拟分析时，隧道所处矩形围岩块的尺寸为100m×80m，边界采用施加约束的方法，两侧施加滑动支座，使水平位移为0；下侧则施加竖向约束，使垂直位移为0；上侧为自由边界.网格划分时，围岩选用二维四节点等参单元PLANE42划分围岩，用2D的梁单元beam3来模拟衬砌，锚杆用2D的杆单元Link1来模拟.载荷释放系数取0.6，即初次衬砌承担60%载荷.

针对不同工况，建立有限元网格划分模型及其边界约束条件如图1所示.

图1 隧道模型图

2 计算结果分析

由于地质条件及其它各项参数设定相同，因此，在自重作用下，两种开挖法对应的位移场和应力场相同，而两者的区别则体现在初期支护后.这个阶段也是隧道施工安全与否和围岩是否被破坏的关键时刻，因此以下具体分析了该阶段的应力场和位移场.

2.1 初期支护后的位移场分析

在隧道开挖并进行初期支护后，根据围岩应力和位移分布规律可知，应力极值一般出现在隧道周边上，因此沿隧道洞周取关键点的位移和应力数据讨论.特殊点分别指拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、拱底等位置，如表3所列.

各开挖法所对应的位移云图见图2～5所示.

表3 关键点的水平（x）和竖向（y）位移值 mm

图2 台阶开挖X方向位移

图4 环形开挖X方向位移

图5 环形开挖X方向位移

对比隧道洞室的关键点，从位移图可知，对于台阶开挖，拱肩和拱腰处，分别产生0.23mm和0.25mm的水平方向位移，在拱顶处，有11.05 mm的沉降，拱肩有10.69mm的垂直位移.对于环形开挖，拱肩和拱腰处各自水平位移为0.24 mm和0.20mm，拱顶沉降为10.36mm，拱肩有较大竖向位移9.90mm.

由上可知，环形开挖所引起的拱顶沉降和横向位移较小.此外，从两者的位移云图可看出台阶开挖时，拱顶处会出现较大面积的向洞内移动的趋势，而环形开挖发生大变形的面积则相对小得多.从位移数据看，环形开挖相对引起的变形较小.

2.2 初期支护后的应力场分析

同理，在初期支护后，取5个关键位置的应力，探讨两种开挖法的开挖特性，其数据如表4所列.

表4 关键点处主应力值 MPa

其对应的应力云图如图6～9所示.

图6 台阶开挖最大主应力云图

图7 台阶开挖最小主应力云图

对比两种开挖法，从模拟数据可知，环形开挖产生的应力相对较小，其最大主压应力不过1.99 MPa，而最小主压应力0.33MPa.

由应力云图可知对于台阶开挖，在拱脚和拱底出现应力集中，拱脚处最大压应力值达2.87 MPa，拱腰处有最大拉应力约0.29MPa；而环形开挖，拱腰和拱底出现压应力集中，但区域较小，最大值不过1.99MPa，在拱顶和拱脚处出现拉应力，但其应力值不过0.12MPa.

图8 环形开挖最大主应力云图

图9 环形开挖最小主应力云图

由该数据表可以看出，对比关键部位的应力，可知在拱底处台阶开挖法，产生最大拉应力其值达0.11MPa，拱顶处，有较大拉应力，总体来看，环形开挖法产生的应力相对较小，不易形成塑性区，有利于围岩稳定.

2.3 不同开挖法的塑性区发展情况

由数值模拟图可以看出，隧道开挖过程中，不同开挖方法在各个开挖阶段隧道主应变场的分布规律不同，其塑性区应力云图如图10～11所示.

图10 台阶开挖法的塑性应变云图

图11 环形开挖法的塑性应变云图

从两种开挖法的塑性云图可以看出，在相同条件下，台阶法在拱腰处会产生局部塑性区，而环形法则不会出现塑性区.即在相同围岩条件下，采用环形开挖在初期支护后几乎不会产生塑性区.

综合比较可知，环形开挖所产生的位移场和应力场相对较小，且初期支护后隧道洞周不会出现塑性区，围岩出现变形破坏和强度破坏的几率相对小，从安全角度考虑，建议采用用环形法.但如果所在IV级围岩的岩质相对较好时，可用台阶法，但是必须加强监控.

此外，从两者开挖到初期支护后的变形和应力特征可得到一些共性结论.（1）较不稳定的是隧道拱顶，有较大沉降，在所承受的拉应力达到一定值时，可能引发掉快、坍塌事故.而拱底在较大压应力作用下，会向上拱起.（2）隧道拱脚和拱肩处有小范围的应力集中现象，若其应力达到围岩屈服强度，则可能引起拱脚部位的局部破坏.

针对以上问题，本文提出改进建议：即在初期支护后，在某些薄弱位置进行局部加强处理.以使隧道损毁率降到最低.

3 结 论

本论文对IV级隧道围岩的开挖方法进行了力学分析，得出如下结论.

1）通过数值模拟并比较分析可知，环形开挖法产生的变形和应力是较小的，相对而言较安全，在施工中应优先考虑.

2）从两种开挖法支护后的应力和位移可知，初期支护后，隧道拱顶和拱底是较不稳定部位，存在着沉降和应力较大的问题，因此，在隧道的开挖和支护过程中，应对这些位置进行加强，降低病害的出现，确保隧道施工安全.

［1］周爱国，唐朝晖，方勇刚.隧道工程现场施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2004.

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