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摘要：这里以公路隧道为研究对象，取Ⅳ级围岩，利用有限元程序对台阶开挖法和环形开挖法进行数值模拟，分析支护后衬砌结构的应力和变形特征，对比后提出一种双孔支护方案，再进行比较系统数值模拟。结果表明：环形开挖法的最大应力和位移明显小于台阶开挖法，双孔支护方案能很好地减小衬砌的受力和变形，为隧道的设计和施工提供一种新的思路。
关键词：公路隧道，衬砌，开挖方法，双孔支护
中图分类号：U459.2 文献标识码：A 文章编号：2306-1499（2014）12-
1.有限元模型与相关参数
相关设计参数为：建筑限界宽10.0m，高6.0m；内净空采用拱部单心圆方案，净空面积为60.25m2，净空周长32.50mΦ22锚杆，间距为60cm，杆长3m；C25喷射混凝土厚度28cm；洞室周围围岩选取面积100 80 。建模时，取弹塑性平面应变模型；在开挖及支护后，把衬砌作为骨架结构，考虑锚杆和喷射混凝土的共同作用；围岩及衬砌的物理参数，根据设计资料和相应规范拟定，其值如表1所示。根据有限元数值计算特点，对其施工工序做了相应的简化，处理后的步骤：边界约束为两侧施加滑动支座，使水平位移为0；下侧则施加竖向约束，使垂直位移为0；上侧为自由边界。网格划分时期刊网，选用二维四节点等参单元PLANE42划分围岩；用二维梁单元beam3来模拟衬砌，锚杆用二维杆单元Link1。隧道所承受荷载主要有自重应力场和侧压力，参照公路隧道规范选取。表1 围岩及各结构材料的物理力学参数表结果分析：本文重点研究开挖支护后，衬砌的受力和变形特征，因此，提取支护后隧道洞周特殊点的位移和应力信息。所取特殊点分别是拱顶、拱肩、拱腰、拱脚。
开挖支护后的位移场分析：浇筑衬砌后，隧道洞周特殊点的位移值，如图1所示。
由图可知，采用环形开挖，所引起的拱顶沉降（即Y向位移）明显小于台阶法；而横向位移（即X向位移），则略小于台阶法（注：两者产生的横向位移均很小）。
综合位移数值可知：台阶法，拱顶处产生了最大沉降13.12mm，其次为拱腰有11.02mm的沉降值；环形法，拱顶处最大沉降为10.25mm，拱腰处沉降为9.04mm，最小沉降为拱底处5.04mm。图1隧道洞周处关键点的水平位移与竖向位移（mm）应力场分析：浇筑衬砌后，两种开挖法所对应隧道洞周期刊网，特殊点的主应力值如图2所示。
对比两种开挖法，从特殊点的主应力值对比可知，环形开挖产生的应力相对较小，其最大主压应力为2.06Mpa，而最小主拉应力则不超过0.38Mpa。 综合应力数值可知，对于台阶开挖，所产生的最大主应力在拱腰处，值为3.24Mpa，而环形开挖，最大主应力也在拱腰处，值为2.06MPa；其均在拱顶和拱脚处出现拉应力，拉应力值最小为0.12MPa。图2特殊点的最大和最小主应力值（Mpa）
从两者开挖到支护后的变形和应力特征可以看出，隧道拱顶有较大沉降，在所承受的拉应力达到一定值时，可能引发掉快或坍塌事故，而拱底在较大压应力作用下会向上拱起或者剪切破坏。隧道拱脚和拱肩处有一定范围的应力集中现象期刊网，若其应力达到围岩屈服强度，则可能引起局部位置破坏。
2.新方案提出
针对以上问题，本文提出以下改进的支护方法：即带附加支撑的双孔支护结构型式。采用相同参数条件，改用此种支护结构，并进行数值模拟分析后，得到隧道洞周特殊点的位移和应力值。此外，该种结构形式会产生竖向位移云图和最大主应力云图。由此可知，拱顶沉降得到有效控制，且洞室围岩应力很小，应力集中现象得到有效控制，此外，还有效抑制底部拱起现象的出现，对拱肩位置起到了加强作用。尽管在目前单拱隧道中，还未曾采用过此种类型的衬砌结构，但是，从隧道的长期安全和稳定角度考虑期刊网，此种支护方式是很具有实践价值的，且承受载荷能力较强。
3.结论
本论文对Ⅳ级隧道围岩的开挖方法进行了力学分析，得出结论：（1）通过数值模拟并比较分析可知，环形开挖法产生的变形和应力是较小的，相对而言较安全，在施工中应优先考虑。（2）从两种开挖法支护后的应力和位移可知，初期支护后，隧道拱顶和拱底存在着沉降和应力较大的问题，因此，本文提出一种新的支护方案，降低此类问题出现的可能性，使隧道在支护后较稳定。
参考文献
[1]公路隧道设计规范[S]. 中华人民共和国行业标准， JTGD70-2004，2004.
[2]王林，吕康成.监控量测在隧道大变形治理中的应用[J].公路，2010（3）：186-191.
[3]叶飞，何川，夏永旭.公路隧道衬砌裂缝的跟踪监测与分析研究[J]. 土木工程学报， 2010（07）
关键词：公路隧道，衬砌，开挖方法，双孔支护
中图分类号：U459.2 文献标识码：A 文章编号：2306-1499（2014）12-
1.有限元模型与相关参数
相关设计参数为：建筑限界宽10.0m，高6.0m；内净空采用拱部单心圆方案，净空面积为60.25m2，净空周长32.50mΦ22锚杆，间距为60cm，杆长3m；C25喷射混凝土厚度28cm；洞室周围围岩选取面积100 80 。建模时，取弹塑性平面应变模型；在开挖及支护后，把衬砌作为骨架结构，考虑锚杆和喷射混凝土的共同作用；围岩及衬砌的物理参数，根据设计资料和相应规范拟定，其值如表1所示。根据有限元数值计算特点，对其施工工序做了相应的简化，处理后的步骤：边界约束为两侧施加滑动支座，使水平位移为0；下侧则施加竖向约束，使垂直位移为0；上侧为自由边界。网格划分时期刊网，选用二维四节点等参单元PLANE42划分围岩；用二维梁单元beam3来模拟衬砌，锚杆用二维杆单元Link1。隧道所承受荷载主要有自重应力场和侧压力，参照公路隧道规范选取。表1 围岩及各结构材料的物理力学参数表结果分析：本文重点研究开挖支护后，衬砌的受力和变形特征，因此，提取支护后隧道洞周特殊点的位移和应力信息。所取特殊点分别是拱顶、拱肩、拱腰、拱脚。
开挖支护后的位移场分析：浇筑衬砌后，隧道洞周特殊点的位移值，如图1所示。
由图可知，采用环形开挖，所引起的拱顶沉降（即Y向位移）明显小于台阶法；而横向位移（即X向位移），则略小于台阶法（注：两者产生的横向位移均很小）。
综合位移数值可知：台阶法，拱顶处产生了最大沉降13.12mm，其次为拱腰有11.02mm的沉降值；环形法，拱顶处最大沉降为10.25mm，拱腰处沉降为9.04mm，最小沉降为拱底处5.04mm。图1隧道洞周处关键点的水平位移与竖向位移（mm）应力场分析：浇筑衬砌后，两种开挖法所对应隧道洞周期刊网，特殊点的主应力值如图2所示。
对比两种开挖法，从特殊点的主应力值对比可知，环形开挖产生的应力相对较小，其最大主压应力为2.06Mpa，而最小主拉应力则不超过0.38Mpa。 综合应力数值可知，对于台阶开挖，所产生的最大主应力在拱腰处，值为3.24Mpa，而环形开挖，最大主应力也在拱腰处，值为2.06MPa；其均在拱顶和拱脚处出现拉应力，拉应力值最小为0.12MPa。图2特殊点的最大和最小主应力值（Mpa）
从两者开挖到支护后的变形和应力特征可以看出，隧道拱顶有较大沉降，在所承受的拉应力达到一定值时，可能引发掉快或坍塌事故，而拱底在较大压应力作用下会向上拱起或者剪切破坏。隧道拱脚和拱肩处有一定范围的应力集中现象期刊网，若其应力达到围岩屈服强度，则可能引起局部位置破坏。
2.新方案提出
针对以上问题，本文提出以下改进的支护方法：即带附加支撑的双孔支护结构型式。采用相同参数条件，改用此种支护结构，并进行数值模拟分析后，得到隧道洞周特殊点的位移和应力值。此外，该种结构形式会产生竖向位移云图和最大主应力云图。由此可知，拱顶沉降得到有效控制，且洞室围岩应力很小，应力集中现象得到有效控制，此外，还有效抑制底部拱起现象的出现，对拱肩位置起到了加强作用。尽管在目前单拱隧道中，还未曾采用过此种类型的衬砌结构，但是，从隧道的长期安全和稳定角度考虑期刊网，此种支护方式是很具有实践价值的，且承受载荷能力较强。
3.结论
本论文对Ⅳ级隧道围岩的开挖方法进行了力学分析，得出结论：（1）通过数值模拟并比较分析可知，环形开挖法产生的变形和应力是较小的，相对而言较安全，在施工中应优先考虑。（2）从两种开挖法支护后的应力和位移可知，初期支护后，隧道拱顶和拱底存在着沉降和应力较大的问题，因此，本文提出一种新的支护方案，降低此类问题出现的可能性，使隧道在支护后较稳定。
参考文献
[1]公路隧道设计规范[S]. 中华人民共和国行业标准， JTGD70-2004，2004.
[2]王林，吕康成.监控量测在隧道大变形治理中的应用[J].公路，2010（3）：186-191.
[3]叶飞，何川，夏永旭.公路隧道衬砌裂缝的跟踪监测与分析研究[J]. 土木工程学报， 2010（07）