黃林華，陳秋南

（湖南科技大學 土木工程學院，湘潭411201）

隨著國民經(jīng)濟的平穩(wěn)快速發(fā)展，高速公路網(wǎng)不斷完善，大跨度變截面隧道不斷出現(xiàn).大跨度變截面隧道一般很難實現(xiàn)一次性開挖成型，采取合適的開挖順序以及選取合理的支護參數(shù)對隧道的安全性以及造價尤為重要.公路隧道采用新奧法［1］進行施工，通過監(jiān)控量測信息動態(tài)指導設計與施工，充分發(fā)揮圍巖的自承能力并保證隧道安全.

1 工程概況及地質(zhì)條件

四腳岙隧道位于寧波鄞州區(qū)云龍鎮(zhèn)與橫溪鎮(zhèn)交界處，呈近南北走向展布，設計為分離式隧道，隧道走線起訖樁號K2＋748～K4＋140，長1392m；右線起訖樁號YK2＋775～YK4＋140，長1365m，屬長隧道.在右線戴港端YK3＋695～YK4＋140設置一條鋪道及漸變段，鋪到與正常車道之間渠化，渠化寬度1.5m寬.隧道區(qū)地形較簡單，山頂渾圓，山底沖溝發(fā)育.山體總體呈近南北走向.最高海拔159.4 m，最低海拔0.4m，相對高差159m，屬丘陵地貌.

隧道所處區(qū)域斷裂構(gòu)造從元古代就已形成，并控制了不同大地構(gòu)造單元的發(fā)育歷史，此后古生代除少數(shù)斷裂活動外，區(qū)域內(nèi)斷裂構(gòu)造并不發(fā)育，中新生代以來，尤其是中生代末期，受太平洋板塊向歐亞板塊俯沖的影響，區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造異?；钴S，先后形成了北東、北北東、北西及東西方向多組斷裂.測區(qū)有區(qū)域性斷裂有三組，分別為北東走向的奉化－麗水斷裂帶（F6），北北走向的鎮(zhèn)海－寧海斷裂帶（F7）和岱山－黃巖斷裂帶（F8），北西向的長興－奉化斷裂帶（F12）其中F6、F7為晚更新世活動斷裂.新構(gòu)造運動以差異間歇升降為主，由南至北、從東到西地勢逐漸升高，形成多級構(gòu)造臺地.

隧道全線按照監(jiān)控量測計劃進行監(jiān)控，由于篇幅有限，本文僅選取其中具有代表性的監(jiān)控段進行分析，即YK3＋695斷面突變附近斷面.該斷面附近的總體巖性為中風化玻屑凝灰?guī)r，屬于中硬巖，裂隙相對較發(fā)育，水量很小.

2 現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集與分析

根據(jù)隧道設計特點、圍巖條件（Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖）、支護類型（復合式襯砌）和采用的施工方法，按照設計要求和隧道施工技術規(guī)范，結(jié)合自有的量測儀器，選定隧道的現(xiàn)場監(jiān)控量測項目及量測方法以及頻率；隧道所選的必測項目有工程地質(zhì)和現(xiàn)狀的觀察、周邊收斂位移、拱頂下沉、地表下沉以及錨桿內(nèi)力及抗拔力選測項目有鋼支撐及噴層表面應力、二次襯砌應力［2］.

隧道采用光面爆破進行開挖，周邊收斂與拱頂下沉測點距開挖面2m范圍內(nèi)盡快安設，并在下一次爆破前測讀初次讀數(shù)［2］，各測點位于同一斷面，以便對數(shù)據(jù)進行分析.其量測方法、頻率按照設計要求與相應規(guī)程進行.等測得數(shù)據(jù)穩(wěn)定以后，對數(shù)據(jù)采用不同的函數(shù)進行回歸分析，選取最接近現(xiàn)場數(shù)據(jù)曲線的函數(shù)估計最大值.通過回歸分析對數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)對于本隧道YK3＋695附近處的斷面用指數(shù)函數(shù)U＝ae－b／t做回歸分析與現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)最為接近.具體結(jié)果列入表2.

3 隧道計算有限元模擬

3.1 隧道的開挖過程

隧道進口處有精密儀器廠，為了盡量減少爆破開挖震動對精密儀器廠的影響，隧道從出口向里挖，即單向由大里程向小里程開挖.隧道出口段有設置一條鋪道及漸變段，在KK3＋695里程處由輔道加寬斷面突變成2車道斷面主洞向小里程方向掘進.

隧道出口處為變截面隧道，隧道加寬斷面采用上下短臺階法向前掘進，先開挖上臺階土體并立即進行噴錨支護，再開挖下臺階土體并進行噴錨支護；主洞標準2車道斷面則采用全斷面法向前掘進.

3.2 有限元計算與分析

隧道圍巖具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性以及復雜的加卸載條件和邊界條件等特點，這使得隧道工程力學問題通常無法用解析方法簡單求解；相比之下，數(shù)值分析方法具有較廣泛的適用性，它不僅能夠模擬巖體復雜的力學結(jié)構(gòu)特征，也可很方便地分析各種邊值問題和施工過程，并對工程進行預測；因此，數(shù)值分析方法是解決隧道及地下工程問題的有效工具之一［3］.本文計算采用midas GTS巖土與隧道仿真分析軟件進行仿真計算.

3.2.1 基本假設

（1）為更好地體現(xiàn)隧道應力、應變、位移隨著隧道開挖的變化過程，采用三維空間模型；

（2）采用摩爾－庫倫（Mohr－Coulomb）準則作為破壞準則；

（3）巖土體采用彈塑性四面體常應變單元模擬，噴射混凝土采用彈性梁單元模擬；錨桿采用一維軸力桿單元模擬；

（4）計算模型的邊界條件為：地表面為自由邊界，底部豎直方向位移約束，前后左右四個面水平方向位移約束；

3.2.2 材料物理力學參數(shù)

計算所采用的材料物理力學參數(shù)詳見表1.

表1 材料物理力學參數(shù)

彈塑性數(shù)值分析方法：

彈塑性分析可以同時分析土體的變形能力和穩(wěn)定性：變形能力是由剪切特性和彈性特性決定，隧道圍巖的穩(wěn)定性則主要由剪切強度決定；當作用在巖土體上的荷載大于土體的剪切強度時，巖土體將產(chǎn)生塑性區(qū)域.隨著塑性區(qū)域的發(fā)展巖土將達到破壞狀態(tài)，但是不能說產(chǎn)生了塑性區(qū)域結(jié)構(gòu)就一定不穩(wěn)定，只要被彈性區(qū)域包圍的塑性區(qū)域不能生成破壞面，這樣的局部破壞不一定會發(fā)展成為整體破壞［4］.

荷載作用下，總應變ε等于彈性應變εe和塑性應變εp之和.對于彈塑性趨于交界處的屈服函數(shù)即荷載函數(shù)F，即

從公式（1）中我們可以看出，在塑性理論中，屈服函數(shù)的值永遠是負的，不可能存在正的.根據(jù)最小余能原理，［7］失穩(wěn)結(jié)構(gòu)有趨于新的穩(wěn)定狀態(tài)的趨勢，這種趨勢的內(nèi)在動力可以理解為結(jié)構(gòu)的自我調(diào)整能力.巖體在開挖過程中，不斷趨于新的穩(wěn)定狀態(tài)，噴錨支護通過提供支護反力承受一部分地壓力而改善洞室周圍巖體受力.

上式中c為巖土材料的粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角.

材料模型采用關聯(lián)流動準則，即g＝F，g為塑性勢能函數(shù)，使塑性應變向量始終垂直于屈服面，于是流動準則變?yōu)椋?/p>

式（2）中dλ為定義塑性變形大小的塑性系數(shù).

對于角點以及平面上產(chǎn)生不能確定塑性流動方向的奇異點，需做特殊處理.

而應力則由彈性部分的應變變化率所決定，即

式（3）中De為彈性剛度矩陣.

對于關聯(lián)流動準則，應力始終位于屈服面上，由變形協(xié)調(diào)條件則有：

3.2.3 計算模型

由于隧道圍巖類別相對較好，輔道加寬斷面采用上下短臺階法向前掘進，主洞2車道斷面則采用全斷面發(fā)進行開挖；具體施工過程分為六個施工步驟：

①輔道加寬斷面上臺階土體開挖；

②輔道加寬斷面上臺階噴錨支護以及臨時支護；

③輔道加寬斷面上臺階開挖完成后，拆去臨時支護并開挖輔道加寬斷面下臺階土體；

④完成整個輔道加寬斷面噴錨支護；

⑤主洞2車道斷面土體開挖；

⑥主洞2車道斷面噴錨支護.

有限元模型與網(wǎng)格劃分如圖1所示.

3.2.4 計算結(jié)果與分析

整體上，隨著隧道的開挖，圍巖應力和位移的變化主要集中在拱頂、邊墻，拱腳以及毛洞底部附近區(qū)域，實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比如表2所示.

表2 周邊收斂與拱頂下沉累計值與推算值

圍巖應力和位移在每一個施工階段都有一定變化，但變化主要集中在與施工步距離附近的區(qū)域，包括圍巖拱頂，拱腳區(qū)和毛洞底部附近區(qū)域.最大主應力如圖2.輔道加寬段隧道與主洞兩車道段隧道的最終狀態(tài)下的圍巖最大主應力、最小主應力以及等效剪應力大小及位置如表3所列.

表3 主要應力大小及位置

通過對數(shù)值模擬計算結(jié)果進行分析比較可知：

（l）輔道加寬段隧道與主洞兩車道隧道的拉應力主要出現(xiàn)在拱頂上方一定范圍內(nèi)，如果不及時支護或者支護參數(shù)不符合要求，容易造成拉應力區(qū)貫通進而造成圍巖失穩(wěn)而發(fā)生塌方.所以本隧道施工過程中，開挖后必須及時支護，開挖后及時施作初期支護且控制錨桿施工質(zhì)量.

（2）從表3可以看出，等效剪應力的最大值與隧道的最小主應力的最小值均出現(xiàn)在邊墻附近，且2車道主洞斷面數(shù)值比輔道加寬帶數(shù)值要小.為減少隧道開挖后的應力集中現(xiàn)象，施工過程中，應盡量保證光面爆破后隧道輪廓曲線的圓滑.輔道加寬段為上下臺階法施工，隨著下臺階向前開挖，矢跨比得以改善，等效剪應力的最大值與最小主應力的最小值均得以改善.

（3）對于輔道加寬帶的錨桿軸力最大值均出現(xiàn)在上下臺階分界處，且軸力最大值相近；主洞標準兩車道的錨桿軸力最大值出現(xiàn)的拱頂.隧道噴射混凝土軸力分布較均勻，輔道加寬帶的噴射混凝土軸力最大值比主洞標準兩車道大，因此要求輔道加寬帶的噴射混凝土厚度加厚.輔道加寬帶開挖方式為上下臺階法開挖，噴射混凝土彎矩最大值出現(xiàn)在上下臺階分界處，而兩車道隧道斷面處的噴射混凝土彎矩最大值出現(xiàn)在邊墻處.施工過程中，為改善彎矩分布情況，應盡量是開挖輪廓圓滑.

（4）由表1與圖3、圖4對比可知，仿真模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)相近，隧道開挖整體穩(wěn)定性較好，施工過程中沒有出現(xiàn)塌方等施工事故.

4 結(jié) 論

本文以寧波象山港公路大及橋接線工程中四腳岙隧道為工程背景，基于有限元軟件，運用關聯(lián)流動準則材料模型進行彈塑性分析，認為塑性應變向量始終垂直于屈服面，應力始終位于屈服面上，對隧道的圍巖以及支護結(jié)構(gòu)的應力、變形進行了研究.本文可得出以下結(jié)論：

（1）為避免應力集中現(xiàn)象，隧道開挖過程中應盡量減少尖角輪廓，改善內(nèi)力分布情況.

（2）施工過程中應堅持“少擾動，早支護，緊封閉，勤量測”的原則，有效控制變形，盡早使得支護和圍巖共同進入良好的工作狀態(tài).

（3）應力分布較大的地方主要集中在邊墻、拱頂、以及仰拱部位，塑性區(qū)分布較少，整體穩(wěn)定性較好，施工過程中應加強對應力、變形分布較大處的控制.

［1］ 陳秋南.隧道工程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［2］ JTG F60－2009，公路隧道施工技術規(guī)范［S］.2009.

［3］ 劉耀儒，崔智雄，張 莉，楊 強.基于變形加固理論的隧洞與巷道開挖穩(wěn)定分析［J］.巖土力學，2011，32（2）：419－423.

［4］ 鄭 煒.大跨度隧道橫洞開挖效應研究和施工設計優(yōu)化［D］.同濟大學碩士工程碩士論文，2008.

［5］ 楊龍才，周順華，姚燕明.變跨度隧道施工引起的地表沉降［J］.同濟大學學報（自然科學版），2003，31（4）：408－412.

［6］ 劉耀儒，崔智雄，張 莉，楊 強.基于變形加固理論的隧洞與巷道開挖穩(wěn)定分析［J］.巖土力學，2011，32（S2）：418－423.