郭香紅

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

黃土公路隧道因其圍巖壓力和參數(shù)的不確定性，長期以來工程界對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然采用工程類比法。隧道開挖導(dǎo)致的圍巖應(yīng)力解除引起圍巖應(yīng)力的重分布。大量工程實(shí)踐表明，隧道開挖后應(yīng)力調(diào)整和圍巖變形都不是瞬間完成的，其不僅與隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸、開挖方法、支護(hù)施作時機(jī)、輔助施工措施等因素有關(guān)，而且還與工程地質(zhì)條件、埋深等因素密切相關(guān)，因此圍巖應(yīng)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(zhì)，在黃土隧道開挖過程中，初期支護(hù)受力分析多采用荷載結(jié)構(gòu)法，按荷載釋放法考慮不同應(yīng)力釋放率對支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能影響的參考文獻(xiàn)不多，所得結(jié)果不能真實(shí)地反映支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。為進(jìn)一步了解圍巖應(yīng)力釋放對黃土隧道初期支護(hù)受力的影響，筆者結(jié)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(jìn)行施工階段開挖模擬，研究不同的應(yīng)力釋放率對初期支護(hù)受力的影響。

1 應(yīng)力釋放原理

應(yīng)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(guī)律以實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)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(jié)點(diǎn)上所產(chǎn)生的釋放荷載節(jié)點(diǎn)力向量為：

2 計(jì)算模型和分析參數(shù)

將土體視為連續(xù)、均勻、各向同性介質(zhì)，采用D-P屈服準(zhǔn)則，在計(jì)算分析中僅考慮黃土自重應(yīng)力，不考慮構(gòu)造應(yīng)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(jì)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(jì)算不考慮鋼筋網(wǎng)片、縱向連接筋的作用效果，以一榀鋼拱架左右側(cè)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(jì)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(jì)算參數(shù)的選取參照此隧道巖土工程勘察報(bào)告和初期支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)文件，并結(jié)合《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)中5.2.6和附錄C型鋼特性參數(shù)表中的C.0.1[4]。采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀對核心土處的原狀土進(jìn)行圍壓分別為50 kPa、100 kPa和200 kPa的3組試驗(yàn)，較精確地測出土體的c值和φ值；原狀土密度采用環(huán)刀法測定，其值為2.12 g/cm3。

表1 數(shù)值分析中采用的土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

3 計(jì)算工況

為探討應(yīng)力釋放率對初期支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響規(guī)律，分別考慮了圍巖應(yīng)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(jì)算分析按照開挖左上臺階→支護(hù)左上臺階→開挖左下臺階→支護(hù)左下臺階→開挖右上臺階→支護(hù)右上臺階→開挖右下臺階→支護(hù)右下臺階的順序進(jìn)行；埋深較淺側(cè)為先行洞，埋深較深側(cè)為后行洞。

4 結(jié)果分析

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

表2 不同應(yīng)力釋放率下初期支護(hù)軸力表 kN

分析結(jié)果表明，不同應(yīng)力釋放率下，先后行洞初期支護(hù)軸力相差不大，僅在釋放率為20%和100%時出現(xiàn)了拉力，后者約為前者的3.6倍，其他各釋放率下初期支護(hù)軸力均為壓力。應(yīng)力釋放率50%情況下初期支護(hù)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(yīng)力釋放率的關(guān)系

圖4 初支最大負(fù)彎矩與應(yīng)力釋放率的關(guān)系

分析結(jié)果表明，不同應(yīng)力釋放率下先后行洞初期支護(hù)施工完畢后，其所承受的最大正、負(fù)彎矩不同；在應(yīng)力釋放率低于50%時，釋放率越小，初期支護(hù)承受的正、負(fù)彎矩越大，釋放率為50%時初期支護(hù)承受的正、負(fù)彎矩最小，高于50%時初期支護(hù)承受的正、負(fù)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(yīng)力釋放率的關(guān)系

圖6 初支最大負(fù)剪力與圍巖應(yīng)力釋放率的關(guān)系

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

5 結(jié)論

a）采用應(yīng)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(zhǔn)確地反映出隧道在開挖支護(hù)過程中初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。

b）合理控制圍巖應(yīng)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(chǎn)生嚴(yán)重的松弛卸載現(xiàn)象，減少支護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)受力最為不利，為安全起見應(yīng)盡早施作仰拱，形成封閉的結(jié)構(gòu)受力體系。