李術(shù)才，趙 巖,2，李利平，周 毅，劉 欽

（1. 山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，濟(jì)南 250061；2. 青島市地下鐵道公司，山東 青島 266071）

1 引 言

近年來(lái)隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)事業(yè)的大規(guī)?？缭绞桨l(fā)展，我國(guó)西部地區(qū)所修建的大型公路、鐵路工程數(shù)量不斷增加。許多自然環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，以往被認(rèn)為是“工程禁區(qū)”的地區(qū)都興起了大規(guī)模的交通基礎(chǔ)設(shè)施。山區(qū)基建工程的發(fā)展就使許多長(zhǎng)大隧道工程不斷涌現(xiàn)，尤其是在鐵路工程建設(shè)中，考慮到造價(jià)等各項(xiàng)因素，當(dāng)前的鐵路隧道主要采取單洞雙線的設(shè)計(jì)形式，隧道開(kāi)挖斷面較大，與此同時(shí)，工程建設(shè)難度及風(fēng)險(xiǎn)也進(jìn)一步增加。與地面建筑物不同，隧道是修筑在具有一定應(yīng)力歷史和一定初始應(yīng)力場(chǎng)的圍巖中的結(jié)構(gòu)物。初始應(yīng)力場(chǎng)是在隧道開(kāi)挖之前就已經(jīng)客觀存在的[1－5]。因此，隧道開(kāi)挖的擾動(dòng)會(huì)使一定范圍內(nèi)的圍巖發(fā)生松弛，產(chǎn)生一定的荷載作用于隧道結(jié)構(gòu)上。隧道開(kāi)挖斷面的加大，會(huì)增加隧道開(kāi)挖的擾動(dòng)范圍和增加隧道結(jié)構(gòu)所承受的荷載。根據(jù)巖承理論的思想，隧道洞壁圍巖不僅僅是荷載的來(lái)源，更是隧道承載結(jié)構(gòu)的重要組成部分，這里所說(shuō)的隧道結(jié)構(gòu)，不僅指狹義上的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，也包括在隧道開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)揮承載作用的洞壁圍巖。隨著隧道掌子面的推進(jìn)，隧道結(jié)構(gòu)所承受的荷載在圍巖應(yīng)力調(diào)整的過(guò)程中是不斷釋放的，最終開(kāi)挖結(jié)束且隧道結(jié)構(gòu)及圍巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后荷載的釋放過(guò)程結(jié)束。而該荷載釋放的演化過(guò)程則受到斷面開(kāi)挖方式、支護(hù)時(shí)機(jī)等多種因素的影響，可以認(rèn)識(shí)到的是，平緩并且較少突變的荷載釋放過(guò)程對(duì)隧道圍巖損傷最小，同時(shí)也最有利于隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。這樣就可以通過(guò)對(duì)施工過(guò)程中的荷載釋放規(guī)律進(jìn)行研究，從而進(jìn)一步分析施工過(guò)程中的圍巖穩(wěn)定性[6－9]。隧道施工的荷載釋放過(guò)程一直是隧道施工力學(xué)的研究熱點(diǎn)之一，許多專家學(xué)者通過(guò)數(shù)值分析或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段對(duì)其進(jìn)行過(guò)深入的研究，然而過(guò)去的研究往往只是針對(duì)隧道洞壁的一點(diǎn)展開(kāi)，沒(méi)有對(duì)開(kāi)挖過(guò)程中某斷面的整體荷載釋放狀態(tài)進(jìn)行全面的研究。

本文通過(guò)數(shù)值分析及模型試驗(yàn)，對(duì)超大斷面鐵路隧道施工過(guò)程中的斷面整體荷載釋放過(guò)程進(jìn)行了相關(guān)研究。首先，有針對(duì)性的研究了臺(tái)階法施工過(guò)程中隧道洞壁不同特征點(diǎn)的荷載變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上定義了能夠表征隧道斷面整體荷載釋放狀態(tài)的斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)概念，然后，分析總結(jié)了隧道開(kāi)挖過(guò)程中的變化規(guī)律。隨后通過(guò)隧道開(kāi)挖過(guò)程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的方法，監(jiān)測(cè)開(kāi)挖過(guò)程中洞壁不同位置的圍巖徑向壓力變化過(guò)程，進(jìn)一步說(shuō)明了將整個(gè)斷面作為一個(gè)整體研究對(duì)象的必要性，對(duì)斷面整體荷載釋放狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，有利于得出更適用性的結(jié)論，進(jìn)而綜合評(píng)估分析隧道施工過(guò)程中的荷載釋放規(guī)律。

2 工程背景

本次研究以貴廣鐵路天平山隧道為工程背景。貴廣鐵路天平山隧道，位于廣西壯族自治區(qū)桂林市，全長(zhǎng)14 005 m，最大埋深為775 m，設(shè)計(jì)為雙線單洞隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km，預(yù)留進(jìn)一步提速條件。本隧道設(shè)置 0～4#斜井，6個(gè)工作面，是貴廣鐵路的控制性工程。圖1為天平山隧道臺(tái)階法開(kāi)挖斷面情況。

圖1 天平山隧道臺(tái)階法開(kāi)挖斷面Fig.1 The section of Tianpingshan tunnel

由于鐵路客運(yùn)專線的設(shè)計(jì)時(shí)速較高，故采用單洞雙線隧道的設(shè)計(jì)形式有利于緩解行車過(guò)程中的隧道空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。單洞雙線隧道的開(kāi)挖斷面面積在150 m2左右，施作襯砌后的凈空也在100 m2左右，屬于超大斷面隧道，開(kāi)挖面積和凈空面積的增大，導(dǎo)致了隧道施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)承受的圍巖荷載的進(jìn)一步增加。故對(duì)超大斷面隧道施工中的荷載釋放過(guò)程進(jìn)行深入研究就有了重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 計(jì)算模型建立

數(shù)值計(jì)算方法是當(dāng)前巖土工程研究中主要采取的重要手段之一，是試驗(yàn)手段和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的有力補(bǔ)充，數(shù)值計(jì)算的研究不受監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及測(cè)量精度的影響，有利于揭示施工過(guò)程中荷載變化過(guò)程的內(nèi)在規(guī)律。

本研究使用基于拉格朗日方法的有限差分軟件FLAC3D作為數(shù)值模擬手段。其計(jì)算原理遵循連續(xù)介質(zhì)假設(shè)，通過(guò)每一個(gè)時(shí)步的計(jì)算積分求解，并且在計(jì)算的過(guò)程中節(jié)點(diǎn)與單元的坐標(biāo)隨著變形的增加而不斷更新，能夠求得介質(zhì)的大變形，有利于貼近巖土工程問(wèn)題的現(xiàn)實(shí)情況。參考地質(zhì)條件及隧道實(shí)際斷面設(shè)計(jì)情況，并對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，首先，確定計(jì)算模型模擬范圍：設(shè)水平方向?yàn)閤軸，長(zhǎng)度為80 m，縱向?yàn)閦軸，沿隧道軸線方向30 m，豎直方向?yàn)閥軸。由于計(jì)算中隧道斷面及頂部荷載均為對(duì)稱布置，故取隧道結(jié)構(gòu)的1/2進(jìn)行建模計(jì)算。所建立模型如圖2所示。

數(shù)值計(jì)算屈服準(zhǔn)則的選取是否科學(xué)是計(jì)算結(jié)果能否反映客觀規(guī)律的基礎(chǔ)，Mohr-Coulomb準(zhǔn)則由于其能夠反映巖土材料屈服時(shí)與球應(yīng)力和偏應(yīng)力密切相關(guān)的重要特性而在巖土工程研究中被廣泛應(yīng)，同時(shí)在計(jì)算中也要考慮到巖體的彈塑性變形及大變形[10－11]。計(jì)算過(guò)程中為了盡量減少模型體邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響，主要提取開(kāi)挖至計(jì)算模型中間時(shí)的計(jì)算數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)值計(jì)算模型Fig.2 Model for numerical analysis

4 隧道施工荷載釋放過(guò)程數(shù)值分析

隧道臺(tái)階法開(kāi)挖是當(dāng)前隧道施工中應(yīng)用最廣泛的方法，其具有施工效率高、工作平臺(tái)空間大、方便機(jī)械化施工，并且具有可以多作業(yè)面平行作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，并且在地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，能夠靈活及時(shí)地轉(zhuǎn)換施工工序，調(diào)整施工方法[12]。

在臺(tái)階法施工過(guò)程中，圍巖會(huì)受到開(kāi)挖過(guò)程的多次影響，在臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程的影響因素非常多，包括臺(tái)階開(kāi)挖面積、長(zhǎng)度、開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺以及支護(hù)封閉成環(huán)距離等都對(duì)其有著重要的影響。本文選取上下臺(tái)階高度相同，臺(tái)階長(zhǎng)度均為5 m的二臺(tái)階法開(kāi)挖的標(biāo)準(zhǔn)工況作為研究對(duì)象。在臺(tái)階法施工荷載釋放過(guò)程研究分析中，主要將拱頂處的豎向應(yīng)力、邊墻處的水平應(yīng)力以及底板處的豎向應(yīng)力作為研究對(duì)象。在分析過(guò)程中采用數(shù)據(jù)歸一化處理的方法，消去應(yīng)力的單位和方向，著重分析其數(shù)值上的變化過(guò)程。將每一步開(kāi)挖結(jié)束后的徑向應(yīng)力的絕對(duì)值與初始地應(yīng)力情況下進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而研究洞壁圍巖徑向應(yīng)力的變化過(guò)程。圖 3為監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置與隧道臺(tái)階分界線位置示意圖。

圖3 隧道臺(tái)階法開(kāi)挖示意圖Fig.3 Bench method excavation of the tunnel

圖4為臺(tái)階法施工過(guò)程中隧道洞壁徑向應(yīng)力變化過(guò)程曲線圖。其中，曲線的縱坐標(biāo)為臺(tái)階法開(kāi)挖到某一時(shí)刻隧道洞壁上不同位置的徑向荷載與初始地應(yīng)力情況下此處徑向圍巖壓力的比值。

圖4 臺(tái)階法施工隧道洞壁徑向應(yīng)力變化過(guò)程Fig.4 The load changing process of the wall rock during excavation

圖中的3條豎線分別為上臺(tái)階、下臺(tái)階及落底時(shí)刻開(kāi)挖到達(dá)的位置。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的表述可知[1]，隧道圍巖荷載主要來(lái)源于圍巖壓力，在分析過(guò)程中近似地認(rèn)為，徑向應(yīng)力變化過(guò)程等同于圍巖壓力。

對(duì)于拱頂位置的徑向荷載變化過(guò)程，根據(jù)數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，拱頂位置的徑向荷載主要受到上臺(tái)階開(kāi)挖的影響，其整體上可以分為3個(gè)階段；一是在開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)點(diǎn)之前，拱頂處的徑向荷載處于隨著開(kāi)挖臨近荷載增加的階段，在上臺(tái)階開(kāi)挖面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)大約2 m，即開(kāi)挖之前一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺左右時(shí)，荷載增加的程度達(dá)到最大；二是在上臺(tái)階開(kāi)挖通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的前后各2 m，即一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺范圍內(nèi)，拱頂處的徑向荷載發(fā)生急劇釋放。分析認(rèn)為，這是由于隧道拱頂位置的圍巖受到上臺(tái)階開(kāi)挖的擾動(dòng)影響最大，上臺(tái)階的開(kāi)挖使監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的圍巖下方瞬間出現(xiàn)臨空面，原本作用于開(kāi)挖掉那部分巖體的拱頂徑向荷載失去荷載作用對(duì)象，故此處的巖體開(kāi)始發(fā)生應(yīng)力調(diào)整，由起初的豎向應(yīng)力為主逐漸調(diào)整為水平向應(yīng)力占主導(dǎo)。三是上臺(tái)階開(kāi)挖面開(kāi)挖穿過(guò)拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺的距離之后，拱頂位置的徑向應(yīng)力在上臺(tái)階開(kāi)挖穿過(guò)一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺之后基本不再發(fā)生變化。由圖中曲線數(shù)據(jù)可知，上臺(tái)階長(zhǎng)度確定為5 m是較為合理的，下臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)拱頂位置的荷載已基本釋放完畢，有利于拱頂處圍巖的穩(wěn)定。

邊墻位置的徑向荷載與拱頂類似，在上臺(tái)階開(kāi)挖到監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在斷面時(shí)，邊墻處的徑向荷載發(fā)生了一定程度的增加，為初始地應(yīng)力的 5%左右。上臺(tái)階開(kāi)挖后邊墻處的徑向荷載開(kāi)始釋放，釋放速率與拱頂處相比較緩慢，釋放速率是同時(shí)刻拱頂?shù)?1/3左右。邊墻處徑向荷載的主要釋放過(guò)程處于下臺(tái)階開(kāi)挖前后各一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺距離的范圍內(nèi)，在這兩個(gè)循環(huán)的開(kāi)挖過(guò)程中邊墻處釋放的荷載占釋放荷載總數(shù)的78%。故通過(guò)調(diào)整下臺(tái)階開(kāi)挖斷面形式等手段可減弱下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)邊墻的影響，有利于優(yōu)化邊墻荷載釋放，使荷載釋放速率更為平緩。

隧道底板位置的徑向荷載釋放過(guò)程，受到了臺(tái)階法開(kāi)挖全過(guò)程的影響。從受到開(kāi)挖影響開(kāi)始，底板位置的徑向荷載一直處于不斷減少的過(guò)程中，且荷載釋放的速率比較平穩(wěn)，每次開(kāi)挖前后荷載釋放過(guò)程均沒(méi)有發(fā)生突變。此外，由于隧道底板位置不同于拱頂及邊墻，即使圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞也不會(huì)對(duì)隧道的整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全造成太大的破壞，故隧道底板徑向荷載的釋放過(guò)程可以不作為研究分析的重點(diǎn)。

通過(guò)以上對(duì)臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中隧道斷面上不同位置的圍巖荷載釋放過(guò)程的分析研究，發(fā)現(xiàn)在臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中，隨著開(kāi)挖的逼近，相同斷面不同位置的荷載釋放過(guò)程存在著一定的差異。受到上臺(tái)階首先開(kāi)挖的影響，拱頂位置圍巖首先開(kāi)始荷載釋放。并且在臺(tái)階法開(kāi)挖逼近監(jiān)測(cè)斷面的過(guò)程中，拱頂及邊墻位置的圍巖在應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中首先發(fā)生荷載集中現(xiàn)象，且不同位置的荷載集中程度不同。

所以說(shuō)，通過(guò)對(duì)臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中的洞壁荷載釋放過(guò)程分析，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)斷面上不同位置的荷載釋放過(guò)程存在很大差異，這就需要對(duì)斷面整體荷載狀態(tài)進(jìn)行綜合研究。

5 斷面整體荷載狀態(tài)研究

在斷面整體荷載釋放狀態(tài)的研究中，首先取上、下臺(tái)階開(kāi)挖面位置的斷面整體荷載狀態(tài)進(jìn)行單獨(dú)分析。

圖5為臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中上臺(tái)階掌子面位置斷面整體荷載狀態(tài)，其中，黑色實(shí)線為隧道開(kāi)挖輪廓，陰影部分的寬度表示洞壁該點(diǎn)的徑向荷載與初始應(yīng)力狀態(tài)徑向荷載比值的大小，黑色虛線為比值1的初始狀態(tài)曲線。由圖中曲線可知，上臺(tái)階開(kāi)挖面上不同位置的荷載釋放程度存在很大差異，即在應(yīng)力調(diào)整的過(guò)程中，相同斷面不同位置的荷載的釋放是不同步的。上臺(tái)階的開(kāi)挖主要對(duì)隧道上半斷面的圍巖的荷載釋放造成影響。圍巖徑向荷載從拱頂?shù)絻蓚?cè)邊墻的集中程度逐漸增加，拱頂位置荷載釋放最多，洞壁與上臺(tái)階開(kāi)挖底面交界的位置的荷載集中程度達(dá)到最大，這兩個(gè)位置的荷載集中程度最大，也就意味著在上臺(tái)階開(kāi)挖后這兩個(gè)位置圍巖向隧道內(nèi)發(fā)生變形和失穩(wěn)的趨勢(shì)最大，應(yīng)對(duì)此處圍巖加強(qiáng)支護(hù)及監(jiān)控量測(cè)頻率，以防此處巖體由于徑向荷載變化過(guò)大發(fā)生剪切破壞。而此時(shí)隧道未開(kāi)挖部分的荷載釋放過(guò)程基本同步，且對(duì)已開(kāi)挖臨空部分的穩(wěn)定基本沒(méi)有影響。

圖5 上臺(tái)階開(kāi)挖面斷面整體荷載狀態(tài)Fig.5 Load condition of excavating section during upper bench cutting

圖6為臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程中下臺(tái)階掌子面位置斷面整體荷載狀態(tài)，由圖可知，在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)后不同位置的荷載釋放情況存在較大差異，拱頂位置在上臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)后荷載進(jìn)一步釋放，當(dāng)下臺(tái)階開(kāi)挖到斷面位置時(shí)已經(jīng)趨近于全部釋放，但下半部分邊墻由于之前受到下臺(tái)階未開(kāi)挖的鉗制作用，還殘存有較大的徑向荷載，這同時(shí)也說(shuō)明了在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)后隧道斷面上徑向荷載最大，即最容易發(fā)生失穩(wěn)的位置為拱腳位置，在隧道開(kāi)挖的過(guò)程中，下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)后應(yīng)及時(shí)對(duì)隧道拱腳處施加支護(hù)，消除或者緩解拱腳處的徑向荷載集中程度，同時(shí)也說(shuō)明在下臺(tái)階開(kāi)挖過(guò)后應(yīng)該及時(shí)施作鎖腳錨桿以確保拱腳圍巖的穩(wěn)定的必要性。

圖6 下臺(tái)階開(kāi)挖面斷面整體荷載狀態(tài)Fig.6 Load condition of excavating section during lower bench cutting

通過(guò)對(duì)上、下臺(tái)階開(kāi)挖面的斷面整體荷載釋放狀態(tài)進(jìn)行分析，有必要引入新的概念，用以衡量斷面的整體荷載釋放狀態(tài)。故定義斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)概念如下：

（1）斷面平均荷載釋放率定義為開(kāi)挖斷面上所有徑向荷載特征點(diǎn)荷載釋放率曲線包絡(luò)面積與初始地應(yīng)力條件下的荷載釋放率曲線包絡(luò)面積的比值；

式中：Rt為斷面平均荷載釋放率；Si為第i個(gè)特征點(diǎn)的徑向荷載釋放率；n為洞壁圍巖荷載釋放率特征點(diǎn)總數(shù)；ha為洞壁圍巖荷載釋放率特征點(diǎn)平均間距。

（2）荷載釋放差異系數(shù)定義為開(kāi)挖斷面上所有徑向荷載特征點(diǎn)的徑向荷載釋放率與荷載釋放率平均值之差的平方和除以荷載釋放特征點(diǎn)總數(shù)得到的值。

式中：Nd為荷載釋放差異系數(shù)；Sa為斷面上所有特征點(diǎn)的徑向荷載釋放率平均值。

通過(guò)斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)的定義，可以通過(guò)其描述隧道施工過(guò)程中某斷面整體的荷載釋放狀態(tài)，包括荷載釋放平均程度及荷載釋放進(jìn)程的差異程度。

6 隧道施工過(guò)程模型試驗(yàn)

通過(guò)數(shù)值分析方法的研究，對(duì)施工過(guò)程的隧道斷面整體荷載釋放過(guò)程有了一定的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了隧道開(kāi)挖過(guò)程地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)隧道開(kāi)挖過(guò)程中洞壁不同位置的圍巖徑向壓力，進(jìn)一步對(duì)隧道施工的荷載釋放過(guò)程進(jìn)行研究

本次模型試驗(yàn)主要針對(duì)隧道臺(tái)階法施工過(guò)程中的荷載變化過(guò)程進(jìn)行研究，在開(kāi)挖前應(yīng)首先模擬初始地應(yīng)力條件，故應(yīng)采用先加載后開(kāi)挖的模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)方式。研究荷載釋放過(guò)程要首先明確隧道荷載的來(lái)源，本試驗(yàn)中主要考慮巖土體壓力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，故將圍巖壓力的變化過(guò)程作為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。相似材料是模型試驗(yàn)?zāi)芊褓N近真實(shí)工程情況的重要一環(huán)，本次試驗(yàn)采用山東大學(xué)自主研制并且已經(jīng)申請(qǐng)專利的鐵晶砂相似材料作為試驗(yàn)用巖體相似材料[13]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況進(jìn)行符合相似比的相似材料研制工作。

為了與數(shù)值模擬結(jié)論進(jìn)行對(duì)比分析，模型試驗(yàn)采用臺(tái)階法開(kāi)挖，以監(jiān)測(cè)臺(tái)階法開(kāi)挖中的荷載變化過(guò)程。圖7為模型試驗(yàn)過(guò)程臺(tái)階法開(kāi)挖方案示意圖（試驗(yàn)相似比為1：50），圖8為模型試驗(yàn)臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程正面觀察情況。

圖7 臺(tái)階法開(kāi)挖方案設(shè)計(jì)Fig.7 Method of the excavation in the model test

圖8 模型試驗(yàn)臺(tái)階法開(kāi)挖過(guò)程Fig.8 Excavation process of tunnel in model test

試驗(yàn)壓力監(jiān)測(cè)采用 DYB-1型微型土壓力盒作為監(jiān)測(cè)元件。其原理為微型單膜應(yīng)變式土壓力計(jì)，外形尺寸小、制作工藝成熟、測(cè)試范圍寬、分辨率高、性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集方便，是模型試驗(yàn)中測(cè)量壓力的理想工具。

試驗(yàn)壓力監(jiān)測(cè)斷面布置圖9所示，其中，洞壁壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力盒受壓面均平行于隧道輪廓線的切線方向。

圖9 壓力監(jiān)測(cè)斷面布置Fig.9 Arrangement of stress monitoring section in model test

通過(guò)數(shù)值方法對(duì)隧道洞壁徑向荷載釋放過(guò)程的分析，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)斷面不同位置的荷載釋放過(guò)程存在很大差異，故對(duì)于同一個(gè)斷面不同位置的徑向壓力分布情況進(jìn)行匯總分析。圖10、11分別為上、下臺(tái)階掌子面開(kāi)挖至監(jiān)測(cè)斷面位置時(shí)刻洞壁各個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)圖。

圖10 上臺(tái)階掌子面位置洞壁徑向圍巖壓力（單位：MPa）Fig.10 Pressures of wall rock during upper bench cutting (unit: MPa)

圖11 下臺(tái)階掌子面位置洞壁徑向圍巖壓力（單位：MPa）Fig.11 Pressures of wall rock during lower bench cutting (unit: MPa)

圖10為上臺(tái)階掌子面位置的洞壁徑向圍巖壓力分布圖，通過(guò)上臺(tái)階對(duì)開(kāi)挖面洞壁徑向圍巖壓力分布情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，上臺(tái)階開(kāi)挖后拱頂?shù)焦凹缥恢脼檎麄€(gè)斷面上徑向圍巖壓力最大的位置，而上臺(tái)階開(kāi)挖范圍以下直到隧道底板由于尚未受到開(kāi)挖影響，徑向壓力值與初始狀態(tài)下基本沒(méi)有發(fā)生太大變化。

圖11為下臺(tái)階掌子面位置的洞壁徑向圍巖壓力分布圖，通過(guò)分析可知，在下臺(tái)階開(kāi)挖后斷面的徑向壓力分布情況較之前有了較大的變化，邊墻位置的圍巖由于失去下臺(tái)階所開(kāi)挖巖體的支撐作用，降低幅度較大。而拱肩位置相對(duì)其他位置仍分布有較大的徑向圍巖壓力。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在隧道施工過(guò)程模型試驗(yàn)中，隧道洞壁圍巖徑向壓力在掌子面推進(jìn)的過(guò)程中發(fā)生了明顯的變化，且不同位置的壓力變化過(guò)程存在明顯差異，荷載釋放過(guò)程受開(kāi)挖工法的影響較大，與之前進(jìn)行的數(shù)值模擬得到的規(guī)律較為吻合。

7 結(jié) 論

（1）通過(guò)數(shù)值分析的方法對(duì)隧道臺(tái)階法開(kāi)挖的荷載釋放過(guò)程進(jìn)行了深入研究，認(rèn)識(shí)到同一個(gè)斷面不同位置的荷載釋放過(guò)程在隧道施工過(guò)程中并不是同步的，而且由于開(kāi)挖工法的不同存在著很大的差異；

（2）定義了斷面綜合荷載釋放率和荷載釋放差異系數(shù)的概念，用以描述隧道施工過(guò)程中某斷面整體的荷載釋放狀態(tài)，包括荷載釋放平均程度及荷載釋放進(jìn)程的差異程度。通過(guò)這兩個(gè)指標(biāo)，可以簡(jiǎn)便地了解斷面整體荷載的釋放進(jìn)程；

（3）通過(guò)開(kāi)展隧道施工過(guò)程地質(zhì)力學(xué)模擬試驗(yàn)，對(duì)數(shù)值分析中得出的結(jié)論加以驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了隧道施工過(guò)程中相同斷面不同位置的荷載釋放進(jìn)程存在明顯差異。同時(shí)也說(shuō)明將斷面整體作為荷載釋放過(guò)程的研究對(duì)象是非常有必要的；

（4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是獲取數(shù)據(jù)的重要手段，同時(shí)工程實(shí)際也是室內(nèi)數(shù)值研究和試驗(yàn)研究的最終落腳點(diǎn)，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)文中得到的結(jié)論進(jìn)行進(jìn)一步深入研究是非常有必要的，也能夠?qū)ΜF(xiàn)有結(jié)論的正確性進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證，是下一步研究的方向和重點(diǎn)。

[1]關(guān)寶樹(shù). 隧道工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)集[M]. 北京: 人民交通出版社, 2003.

[2]孫鈞, 朱合華. 軟弱圍巖隧道施工性態(tài)的力學(xué)模擬與分析[J]. 巖土力學(xué), 1994, 15(4): 20－32.SUN Jun, ZHU He-hua. Mechanical simulation and analysis of behaviour of soft and weak rocks in the construction of a tunnel[J]. Rock and Soil Mechanics,1994, 15(4): 20－32.

[3]朱維申, 何滿潮. 復(fù)雜條件下圍巖穩(wěn)定性與巖體動(dòng)態(tài)施工力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1996.

[4]朱維申, 李術(shù)才, 白世偉, 等. 施工過(guò)程力學(xué)原理的若干發(fā)展和工程實(shí)例分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2003,22(10): 1586－1591.ZHU Wei-shen, LI Shu-cai, BAI Shi-wei, et al. Some developments of principles for construction process mechanics and some case studies[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2003, 22(10): 1586－1591.

[5]GU D S, DENG J, LI X B. Three-dimensional numerical simulation of excavation and backfilling in mining engineering[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 1999, 9(2): 417－421.

[6]金豐年, 錢(qián)七虎. 隧洞開(kāi)挖的三維有限元計(jì)算[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 1996, 15(3): 193－200.JIN Feng-nian, QIAN Qi-hu. Simulation of threedimensional tunnel excavations[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1996, 15(3): 193－200.

[7]劉建華, 朱維申, 李術(shù)才. 小浪底水利樞紐地下廠房巖體流變與穩(wěn)定性 FLAC3D數(shù)值分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(14): 2484－2489.LIU Jian-hua, ZHU Wei-shen, LI Shu-cai. Analysis of rheological characteristics and stability of surrounding rock masses of Xiaolangdi Hydrojunction underground caverns by using FLAC3D[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(14): 2484－2489.

[8]SWOBODA G, ABU-KRISHA A. Three-dimensional numerical modeling for TBM tunnelling in consolidated clay[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 1999, 14(3): 327－333.

[9]SHALABI F I. FE analysis of time-dependent behavior of tunneling in squeezing ground using two different creep models[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2005, 20(3): 271－279.

[10]劉濤, 沈明榮, 陶履彬, 等. 連拱隧道動(dòng)態(tài)施工模型試驗(yàn)與三維數(shù)值仿真模擬研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006, 25(9): 1802－1808.LIU Tao, SHEN Ming-rong, TAO Lü-bin, et al. Model test and 3D numerical simulation study on excavation of double-arch tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(9): 1802－1808.

[11]陳育民, 徐鼎平. FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2008.

[12]于學(xué)馥, 鄭穎人, 劉懷恒, 等. 地下工程圍巖穩(wěn)定分析[M]. 北京: 煤炭工業(yè)出版社, 1983.

[13]張強(qiáng)勇, 王漢鵬, 李勇, 等. 鐵晶砂膠結(jié)巖土相似材料及其制備方法: 中國(guó), ZL2005101045814[P]. 2007-09-12.