黄土隧道围岩应力释放对初期支护受力的影响分析

郭香红

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西 太原 030006）

黄土公路隧道因其围岩压力和参数的不确定性，长期以来工程界对其结构设计仍然采用工程类比法。隧道开挖导致的围岩应力解除引起围岩应力的重分布。大量工程实践表明，隧道开挖后应力调整和围岩变形都不是瞬间完成的，其不仅与隧道结构设计尺寸、开挖方法、支护施作时机、辅助施工措施等因素有关，而且还与工程地质条件、埋深等因素密切相关，因此围岩应力释放率的确定是个非常困难的问题[1-2]。加之黄土特殊的工程性质，在黄土隧道开挖过程中，初期支护受力分析多采用荷载结构法，按荷载释放法考虑不同应力释放率对支护结构受力性能影响的参考文献不多，所得结果不能真实地反映支护结构的受力情况。为进一步了解围岩应力释放对黄土隧道初期支护受力的影响，笔者结合山西省岢临高速公路某黄土隧道，采用ANSYS有限元软件对其进行施工阶段开挖模拟，研究不同的应力释放率对初期支护受力的影响。

1 应力释放原理

应力释放法核心思想就是求出开挖前开挖边界处的开挖体对围岩的支撑力，重建此支撑力，然后控制其释放规律以实现不同应力释放率的控制目的[2]。第k步开挖，挖去m个单元后，在此单元的全部节点上所产生的释放荷载节点力向量为：

2 计算模型和分析参数

将土体视为连续、均匀、各向同性介质，采用D-P屈服准则，在计算分析中仅考虑黄土自重应力，不考虑构造应力的影响[3]。模拟分析时采用的边界条件为：地表取为自由边界；左右边界约束其水平方向的自由度；下边界约束其竖直方向自由度，建立的有限元分析模型如图1所示。

图1 计算分析采用的有限元模型

图2 只考虑工字钢和喷混凝土作用的横截面图

为简化计算不考虑钢筋网片、纵向连接筋的作用效果，以一榀钢拱架左右侧间距的一半为研究对象，其等效弹性模量和密度分别按式（2）和式（3）计算：

式中：Eg、Ec为工字钢和喷混凝土弹性模量；Sg、Sc为研究对象中工字钢和喷混凝土横截面面积；ρg、ρc为工字钢和喷混凝土密度。

计算参数的选取参照此隧道岩土工程勘察报告和初期支护参数设计文件，并结合《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)中5.2.6和附录C型钢特性参数表中的C.0.1[4]。采用TSZ-3型应变控制式三轴仪对核心土处的原状土进行围压分别为50 kPa、100 kPa和200 kPa的3组试验，较精确地测出土体的c值和φ值；原状土密度采用环刀法测定，其值为2.12 g/cm3。

表1 数值分析中采用的土体和支护结构力学参数表

3 计算工况

为探讨应力释放率对初期支护结构内力影响规律，分别考虑了围岩应力释放率为20%，40%，50%，60%，80%和100%的6种工况。左右洞起拱线作为上下台阶的分界线，计算分析按照开挖左上台阶→支护左上台阶→开挖左下台阶→支护左下台阶→开挖右上台阶→支护右上台阶→开挖右下台阶→支护右下台阶的顺序进行；埋深较浅侧为先行洞，埋深较深侧为后行洞。

4 结果分析

不同应力释放率下，先后行洞初期支护轴力分析结果如表2所示，各应力释放率下初期支护的弯矩和剪力结果整理如图3～图6所示。

表2 不同应力释放率下初期支护轴力表 kN

分析结果表明，不同应力释放率下，先后行洞初期支护轴力相差不大，仅在释放率为20%和100%时出现了拉力，后者约为前者的3.6倍，其他各释放率下初期支护轴力均为压力。应力释放率50%情况下初期支护承受的轴力仅比释放率40%情况下高7.08%，仅比释放率60%情况下高0.78%。

图3 初支最大正弯矩与应力释放率的关系

图4 初支最大负弯矩与应力释放率的关系

分析结果表明，不同应力释放率下先后行洞初期支护施工完毕后，其所承受的最大正、负弯矩不同；在应力释放率低于50%时，释放率越小，初期支护承受的正、负弯矩越大，释放率为50%时初期支护承受的正、负弯矩最小，高于50%时初期支护承受的正、负弯矩整体上大于释放率低于50%时的情况。

图5 初支最大正剪力与围岩应力释放率的关系

图6 初支最大负剪力与围岩应力释放率的关系

分析结果表明，不同应力释放率下先后行洞初期支护施工完毕后，其所承受的最大正、负剪力不同；在应力释放率低于50%时，释放率越小，初期支护承受的正、负剪力越大，释放率为50%时初期支护承受的正、负剪力最小，高于50%时初期支护承受的正、负剪力整体上大于释放率低于50%时的情况。

5 结论

a）采用应力释放法可合理地模拟黄土隧道的台阶法施工过程，较为准确地反映出隧道在开挖支护过程中初期支护结构的受力情况。

b）合理控制围岩应力释放比例，允许围岩有一定程度的变形，同时限制围岩的位移量，可以有效地避免围岩变形过大而产生严重的松弛卸载现象，减少支护结构的受力。

c）上半断面围岩开挖完成而仰拱还未施作时，初期支护结构受力最为不利，为安全起见应尽早施作仰拱，形成封闭的结构受力体系。