山岭隧道不同台阶法下支护结构力学行为研究

陈 亮，曾永军

（广东省南粤交通揭惠高速公路管理中心，广东 揭阳 515325）

1 工程概况

揭惠高速A1合同段小北山1号隧道穿过低缓山岭地貌区，为高速公路双向4车道，设计时速100km/h，隧道最大埋深约280m。ZK16+428～ZK16+518段设计为V级围岩，设计表述该段围岩主要由微风化花岗岩、辉长岩、断层角砾岩组成，岩质较硬～坚硬，F3断层在ZK16+550处与隧道大角度相交，节理裂隙发育，岩体较破碎～破碎，应预防掉块、坍塌问题，并采取加强衬砌结构（JQ-Va）。

2 建立数值模型

对于隧道断层富水段的计算，采用FLAC3D有限元法计算衬砌结构内力。本模型采用的长度为60m，模型的边界取为沿隧道中线向外取110m，纵向长度取60m，模型下部取中心线以下73m，水头高度为170m（见图1）。围岩、加固圈和衬砌均采用实体单元模拟，围岩和加固圈均采用Mohr-Coulomb屈服准则及弹塑性增量本构关系，衬砌单元采用弹性本构，模型底部、四周采用自由场边界。V级围岩状况下，采用断层处的地质参数进行模拟。

图1 隧道计算模型

3 支护结构力学分析

3.1 不同台阶长度对初支结构的影响

选取五种不同台阶长度（2m、4m、6m、8m、10m）的情况进行对比和统计。选取第一和第三主应力分布图，为了尽量减小边界效应，选取30m处的平面来对比（见图2～图11）。

图2 2m台阶初支第一主应力

图3 2m台阶初支第三主应力

图4 4m台阶初支第一主应力

图5 4m台阶初支第三主应力

由图2～图11可以看出，隧道的最大拉应力主要出现在拱肩初支的内侧，而隧道的最大压应力主要出现在拱顶初支的内侧位置和仰拱处初支的内侧，而且随着台阶的不同应力值略有差异。为了更好地体现数据的差异，制作不同台阶长度施作隧道初支主应力的统计表（见表1）。

图6 6m台阶初支第一主应力

图7 6m台阶初支第三主应力

图8 8m台阶初支第一主应力

图9 8m台阶初支第三主应力

图10 10m台阶初支第一主应力

图11 10m台阶初支第三主应力

表1 不同台阶长度主应力值

由表1可以看出，不同台阶长度开挖时，隧道初支受力差异很小，对于初支受力的趋势，其中第一主应力变化幅度比较小，且基本呈线性关系，而第三主应力相对第一主应力变化幅度大一些，但是总体来说变化还是很小。由于第三主应力基本为19～20MPa，因此重点还是需要注意初支的抗拉强度。

3.2 不同台阶长度对隧道位移的影响

开挖后，洞周围岩产生向隧道内部的位移，即洞周收敛。洞室的竖向位移相对较大，在计算分析中，洞周收敛变形主要是对拱顶沉降、仰拱隆起的位移收敛情况进行分析，下面就这些方面展开研究。

对于这5种工况，位移各不相同，为了尽量减小边界效应，选取30m处的平面来对比（见图12～图21）。

根据各个监测点提取的数据，可以列出不同台阶长度开挖状态下各点竖向位移（见表2、表3）。

由表2、表3可以看出：（1）随着台阶长度的变化，掌子面全断面初期支护闭合时间对应延长，掌子面的拱顶沉降增加不大，掌子面底部隆起同样增量不大，从而说明隧道台阶开挖长度相对掌子面处的拱顶沉降和底部隆起影响微弱。（2）拱顶沉降的最大变化值发生在隧道断面上台阶开挖阶段，而下台阶的开挖对其产生的作用相对较小；仰拱位移在上台阶开挖有较大隆起位移，产生的沉降值也较大；下台阶开挖时段亦有较大隆起位移，但开挖完成后隆起值趋于稳定，后期无明显变化。

表2 不同台阶长度竖向位移

表3 掌子面位移 单位：cm

图12 2m台阶隧道横向位移

图13 2m台阶隧道竖向位移

图14 4m台阶隧道横向位移

图15 4m台阶隧道竖向位移

图16 6m台阶隧道横向位移

图17 6m台阶隧道竖向位移

图18 8m台阶隧道横向位移

图19 8m台阶隧道竖向位移

图20 10m台阶隧道横向位移

图21 10m台阶隧道竖向位移

4 结束语

通过对小北山1号隧道断层带所处地质条件下，隧道上下台阶法施工过程中不同台阶长度对比分析，得出以下结论：隧道采用上下台阶法施工时，隧道拱顶沉降、底部隆起的差距不明显；随着台阶长度的增加，拱脚的相对位移最大值不断增加，主要是上台阶增加，而拱顶沉降增幅不大；初期支护最大拉应力先变大后变小，台阶长度在5m左右的砼拉应力最大，下台阶开挖长度对掌子面挤出位移约束效果明显。

综合各方面因素，建议选择8～10m台阶长度的范围，可以使隧道的变形和受力处在一个可控水平。上述所得台阶长度既保证了掌子面挤出位移约束效果最佳，同时保证及时的初期支护封闭呈环，有利于掌子面稳定。