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【摘 要】为了分析研究采用单侧壁导坑法进行大断面隧道施工时的结构稳定性，采用数值分析的方法，以具体的工程实例为依托，模拟各施工工序。通过分析各施工工序的位移和应力，发现右导坑上部开挖时，拱顶沉降量和隧底隆起量都很大，占到总位移的95%以上，因此必须对右导坑上部开挖时，加强监控和支护，保证施工顺利。
【关键词】隧道工程；大断面；单侧壁导坑法；数值分析
0.引言
随着西部大开发战略的逐步实施，我国高速公路和高等级公路建设又进入了一个新的大发展时期。由于公路等级和交通量的要求提高，包括大断面在内的各类公路隧道数量进一步增加。
目前，大断面公路隧道的设计理论和施工工艺大多数是借鉴双车道隧道的理论，特别是三车道、四车道的大断面公路隧道，横断面与双车道公路隧道相比，其跨度增大了一倍，如果仍然按照双车道公路隧道的扁平率（高跨比）来设计，则开挖断面积将大幅度增加，而隧道内空间的有效利用率将会显著降低，工程造价也会大幅度上升。为了解决这一问题，只能通过降低扁平率来实现，而降低隧道的扁平率将会对围岩稳定及隧道结构的稳定性产生极大的影响。在这种扁平结构的隧道施工中，采用何种方法保证隧道结构的稳定性，是目前需要攻关的研究课题。[1]
1.工程概况
上砭隧道属于商界高速公路DJN2合同段的双线单洞三车道隧道工程。左线隧道长755m，右线隧道长714m。该隧道地处秦岭东段南部山区，为一切割剧烈的山岳地区，区内地形起伏较大，总体地势西高东低。路线基本沿丹江行进，主要穿越刘岭山脉，山体大致呈北西—南东走向，山体连绵起伏，地势险恶，山势陡峭，山高谷深，沟谷深切呈“V”及“U”字形，河谷狭窄深切，基岩裸露，地面黄海高程410-620m，最大相对高差达210m。路线从北向南依次穿越了北秦岭加里东褶皱带南部的太白-商县褶皱束和礼县-札水华力系褶皱带两大构造单元，相邻构造单元之间均以区域断裂带为界。
根据上砭隧道的实际情况，由于地质条件比较差，围岩多为强风化变粒岩，青灰色变晶结构，弱片状构造，片理、节理发育，岩体呈碎石状松散结构，稳定性差，洞顶易坍塌，侧壁有时失稳。所以，施工中采用侧壁导坑法。
2.单侧壁导坑法数值模拟
本次计算以上砭隧道为工程依托，针对Ⅴ级围岩开挖普遍使用的方法，对单侧壁导坑开挖法施工过程进行数值模拟分析。
计算中采用了两种单元：用于模拟围岩的实体单元（Plane42）；用于模拟喷射混凝土和钢拱架的梁单元（Beam3）。在计算中考虑了钢拱架的弯曲刚度，使钢拱架在隧道开挖后对围岩起到很好的支护作用。围岩和结构全部采用实体单元Plane42，围岩采用弹塑性DP本构模型，结构采用线弹性本构模型。
2.1计算模型
根据设计的断面结构尺寸和地层地质情况，按地层—结构连续体建立二维有限元模型。
在有限元计算中，边界条件对计算结果影响比较大。因此，为尽可能减少模型中边界条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照隧道跨度的5倍进行选取。由于隧道埋深为85m，因此建立的模型长为186.7m，宽度为182m。计算模型的边界条件是，底面为竖向约束，上边界为荷载自由边界，左右两侧为横向约束。
2.2单侧壁导坑法
单侧壁导坑法的施工工序较多，对围岩的扰动次数多，但由于每一步的开挖工作面较小，所以卸荷分多步完成，总的看来还是有利于围岩的稳定。
有限元模型共划分1685个计算单元，1637个节点。
2.2.1位移分析
单侧壁导坑开挖时，选取拱顶、左右拱腰、左右拱脚和拱底6个特征关键点，对各个开挖步骤的位移值进行分析，施工各步特征关键点位移值见表1。
表1 单侧壁导坑法各施工步特征关键点位移值（单位：mm）
表1所示的单侧壁导坑开挖各施工步的位移值，从表中可以看到：（1）隧道拱顶部位的竖向位移主要发生在左导坑上部开挖和右导坑上部开挖的时候，左导坑上部开挖可以视为拆除一部分拱顶的岩体支撑，但大部分支撑仍然存在，所以这一阶段有位移，但不大；而右导坑上部的开挖就相当于拆除拱顶剩下的全部岩体支撑，拱部以上的全部荷载都加到开挖所形成的拱和初期支护上面，所以这一阶段的位移值最大，达到13.9mm，占总位移值14.1mm的98.6%，所以在这一阶段应加强观测，及时支护；（2）拱腰水平方向的位移在导坑上部开挖时最大，也是由于拱顶全部卸载导致拱部承受的上部荷载增大，拱部的压力增大从而导致拱腰收敛；（3）拱脚Y方向的位移主要发生在导坑上部开挖阶段，这主要是因为拱脚处的Y方向向上的位移是由開挖卸荷后产生的附加应力引起。
2.2.2应力分析
（1）左导坑上部开挖导致导坑顶部下沉，导坑下部隆起，从而使上部导坑的拱脚处有X方向压应力集中，在底部有X方向拉应力集中；（2）隧道开挖完成以后，X方向的拉应力主要位于隧道拱顶部位和仰拱部位，两拱腰处产生轻微的X方向的压应力。
3.结语
通过以上对单侧壁导坑法数值模拟结果分析，我们可以得到以下结论：
（1）由于左导坑开挖面积小，卸荷较少，所以对模型的位移影响都比较小；右导坑的开挖使隧道拱部完全失去岩体的支撑，位移主要发生在拱顶和隧道底部，隧道底部向上隆起，而拱顶发（下转第115页）（上接第75页）生沉降，且位移变化量比较大。
（2）隧道拱顶的竖向位移主要发生在左导坑上部开挖和右导坑上部开挖的时候，左导坑上部开挖可以视为拆除一部分拱顶的岩体支撑，但大部分支撑仍然存在，所以这一阶段有位移，但不大；而右导坑上部的开挖就相当于拆除拱顶剩下的全部岩体支撑，拱部以上的全部荷载都加到开挖所形成的拱和初期支护上面，所以这一阶段的位移值最大，达到13.9mm，占总位移值14.1mm的98.6%。
（3）隧道拱腰部位的水平位移在导坑上部开挖时最大，也是由于拱顶全部卸载，导致拱部承受的上部荷载增大，拱部的压力增大，从而导致拱腰收敛。
【参考文献】
[1]刘新荣，孙翔.四车道公路隧道特点及其所需解决的几个问题[J].地下空间，2003（4）：437-440.
[2]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005：53-59.
[3]李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：人民邮电出版社，2005：39-108.
【关键词】隧道工程；大断面；单侧壁导坑法；数值分析
0.引言
随着西部大开发战略的逐步实施，我国高速公路和高等级公路建设又进入了一个新的大发展时期。由于公路等级和交通量的要求提高，包括大断面在内的各类公路隧道数量进一步增加。
目前，大断面公路隧道的设计理论和施工工艺大多数是借鉴双车道隧道的理论，特别是三车道、四车道的大断面公路隧道，横断面与双车道公路隧道相比，其跨度增大了一倍，如果仍然按照双车道公路隧道的扁平率（高跨比）来设计，则开挖断面积将大幅度增加，而隧道内空间的有效利用率将会显著降低，工程造价也会大幅度上升。为了解决这一问题，只能通过降低扁平率来实现，而降低隧道的扁平率将会对围岩稳定及隧道结构的稳定性产生极大的影响。在这种扁平结构的隧道施工中，采用何种方法保证隧道结构的稳定性，是目前需要攻关的研究课题。[1]
1.工程概况
上砭隧道属于商界高速公路DJN2合同段的双线单洞三车道隧道工程。左线隧道长755m，右线隧道长714m。该隧道地处秦岭东段南部山区，为一切割剧烈的山岳地区，区内地形起伏较大，总体地势西高东低。路线基本沿丹江行进，主要穿越刘岭山脉，山体大致呈北西—南东走向，山体连绵起伏，地势险恶，山势陡峭，山高谷深，沟谷深切呈“V”及“U”字形，河谷狭窄深切，基岩裸露，地面黄海高程410-620m，最大相对高差达210m。路线从北向南依次穿越了北秦岭加里东褶皱带南部的太白-商县褶皱束和礼县-札水华力系褶皱带两大构造单元，相邻构造单元之间均以区域断裂带为界。
根据上砭隧道的实际情况，由于地质条件比较差，围岩多为强风化变粒岩，青灰色变晶结构，弱片状构造，片理、节理发育，岩体呈碎石状松散结构，稳定性差，洞顶易坍塌，侧壁有时失稳。所以，施工中采用侧壁导坑法。
2.单侧壁导坑法数值模拟
本次计算以上砭隧道为工程依托，针对Ⅴ级围岩开挖普遍使用的方法，对单侧壁导坑开挖法施工过程进行数值模拟分析。
计算中采用了两种单元：用于模拟围岩的实体单元（Plane42）；用于模拟喷射混凝土和钢拱架的梁单元（Beam3）。在计算中考虑了钢拱架的弯曲刚度，使钢拱架在隧道开挖后对围岩起到很好的支护作用。围岩和结构全部采用实体单元Plane42，围岩采用弹塑性DP本构模型，结构采用线弹性本构模型。
2.1计算模型
根据设计的断面结构尺寸和地层地质情况，按地层—结构连续体建立二维有限元模型。
在有限元计算中，边界条件对计算结果影响比较大。因此，为尽可能减少模型中边界条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照隧道跨度的5倍进行选取。由于隧道埋深为85m，因此建立的模型长为186.7m，宽度为182m。计算模型的边界条件是，底面为竖向约束，上边界为荷载自由边界，左右两侧为横向约束。
2.2单侧壁导坑法
单侧壁导坑法的施工工序较多，对围岩的扰动次数多，但由于每一步的开挖工作面较小，所以卸荷分多步完成，总的看来还是有利于围岩的稳定。
有限元模型共划分1685个计算单元，1637个节点。
2.2.1位移分析
单侧壁导坑开挖时，选取拱顶、左右拱腰、左右拱脚和拱底6个特征关键点，对各个开挖步骤的位移值进行分析，施工各步特征关键点位移值见表1。
表1 单侧壁导坑法各施工步特征关键点位移值（单位：mm）
表1所示的单侧壁导坑开挖各施工步的位移值，从表中可以看到：（1）隧道拱顶部位的竖向位移主要发生在左导坑上部开挖和右导坑上部开挖的时候，左导坑上部开挖可以视为拆除一部分拱顶的岩体支撑，但大部分支撑仍然存在，所以这一阶段有位移，但不大；而右导坑上部的开挖就相当于拆除拱顶剩下的全部岩体支撑，拱部以上的全部荷载都加到开挖所形成的拱和初期支护上面，所以这一阶段的位移值最大，达到13.9mm，占总位移值14.1mm的98.6%，所以在这一阶段应加强观测，及时支护；（2）拱腰水平方向的位移在导坑上部开挖时最大，也是由于拱顶全部卸载导致拱部承受的上部荷载增大，拱部的压力增大从而导致拱腰收敛；（3）拱脚Y方向的位移主要发生在导坑上部开挖阶段，这主要是因为拱脚处的Y方向向上的位移是由開挖卸荷后产生的附加应力引起。
2.2.2应力分析
（1）左导坑上部开挖导致导坑顶部下沉，导坑下部隆起，从而使上部导坑的拱脚处有X方向压应力集中，在底部有X方向拉应力集中；（2）隧道开挖完成以后，X方向的拉应力主要位于隧道拱顶部位和仰拱部位，两拱腰处产生轻微的X方向的压应力。
3.结语
通过以上对单侧壁导坑法数值模拟结果分析，我们可以得到以下结论：
（1）由于左导坑开挖面积小，卸荷较少，所以对模型的位移影响都比较小；右导坑的开挖使隧道拱部完全失去岩体的支撑，位移主要发生在拱顶和隧道底部，隧道底部向上隆起，而拱顶发（下转第115页）（上接第75页）生沉降，且位移变化量比较大。
（2）隧道拱顶的竖向位移主要发生在左导坑上部开挖和右导坑上部开挖的时候，左导坑上部开挖可以视为拆除一部分拱顶的岩体支撑，但大部分支撑仍然存在，所以这一阶段有位移，但不大；而右导坑上部的开挖就相当于拆除拱顶剩下的全部岩体支撑，拱部以上的全部荷载都加到开挖所形成的拱和初期支护上面，所以这一阶段的位移值最大，达到13.9mm，占总位移值14.1mm的98.6%。
（3）隧道拱腰部位的水平位移在导坑上部开挖时最大，也是由于拱顶全部卸载，导致拱部承受的上部荷载增大，拱部的压力增大，从而导致拱腰收敛。
【参考文献】
[1]刘新荣，孙翔.四车道公路隧道特点及其所需解决的几个问题[J].地下空间，2003（4）：437-440.
[2]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2005：53-59.
[3]李权.ANSYS在土木工程中的应用[M].北京：人民邮电出版社，2005：39-108.