談高寬比對隧道力學變形特性影響

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摘要：本文采用有限元法，針對Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道，計算不同截面形狀對應的拱頂、仰拱和拱腰圍巖應力、位移變化特征，計算分析得出：隧道截面高寬比越小，拱頂、仰拱圍巖壓應力值越小，容易出現拉應力，同時變形越大，達到穩定的時間越長。但隧道高寬比偏大，拱腰發生的側向位移會相應增大。

關鍵詞：隧道工程；高寬比；有限元；受力變形

引言

隨著交通流量的增大，以及土地資源的緊缺，三車道、四車道隧道日益增多。與常見的單洞兩車道隧道相比，大斷面、超大斷面隧道受力變形存在顯著差異。為了解高寬比對隧道力學變形特性的影響，下文將針對Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道[1]，分別計算截面高寬比為0.69和0.48兩種工況，采用MIDAS有限元軟件計算分析分析不同高寬比對應的拱頂、仰拱和拱腰圍巖應力、位移變化特征，了解隧道截面形狀對變形和圍巖應力場的影響。在此基礎上針對不同的隧道截面形狀提出相應的監控量測方案，為工程現場監控量測的實施提供參考。

1隧道高寬比對圍巖應力的影響

1.1拱頂圍巖應力

在隧道埋深、圍巖等級及開挖方法相同的情況下，分析隧道截面形狀對拱頂圍巖應力的影響，參見圖1。隧道高寬比越小，拱頂豎向應力、水平向應力值越小。尤其是豎向應力，在高寬比為0.48時，拱頂部位豎向應力（圖1（a））趨向于零，但在掌子面附近出現負值。對于高寬比較小的隧道，拱頂的最小主應力出現負值（圖1（d）），表明拱頂容易出現拉應力，因而要加強監測并采取必要措施，防止拱頂部位出現拉裂破壞。

1.2仰拱圍巖應力

在隧道埋深、圍巖等級及開挖方法相同的情況下，分析隧道截面形狀對仰拱圍巖應力的影響，見圖2。與拱頂圍巖應力變化趨勢相似，隧道高寬比越小，仰拱圍巖壓應力值越小。對于高寬比較小的隧道，仰拱部位最小主應力出現負值（圖2（d）），容易出現拉應力，因而要加強監測并采取必要措施，防止仰拱部位出現拉裂破壞。

1.3拱腰圍巖應力

在隧道埋深、圍巖等級及開挖方法相同的情況下，分析隧道截面形狀對拱腰圍巖應力的影響，參見圖3。隧道高寬比較大，在隧道施工過程中對應的拱腰測點在z方向和x方向正應力較大，相應的最小主應力σ3較大，對應的最大主應力較小。對于高寬比為0.69和0.48兩種情況，拱腰測點圍巖應力穩定后，二者最大主應力σ1大小接近。

2隧道高寬比對變形的影響及監控方案

2.1拱頂豎向位移

通過三維計算，確定隧道截面形狀對拱頂測點變形發展趨勢的影響，如圖4。各圍巖等級對應的開挖過程中拱頂累計沉降與最終沉降的比值見表1。從圖4可以得出，對于Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道，掌子面離測點越近，施工對測點位置土體位移影響越大，而后逐漸減小，并趨于穩定。截面高寬比越小，拱頂產生的沉降越大，測點距離掌子面較遠仍有較大變形發生，沉降達到穩定的時間越長。測點位于掌子面后方一定距離處，隧道高寬比越小對應的拱頂產生的累計沉降與最終沉降的比值越小，因此高寬比較小的隧道更應延長位移監控量測時間。量測過程中，測點沿隧道軸向的布置應該考慮隧道高寬比的影響。對于高寬比較小的隧道，測點應該布置較密，相應的監測頻率也應該加大[2、3]。見表1。

2.2仰拱豎向位移

通過三維計算確定對于不同的隧道高寬比，施工過程中隨著掌子面推進仰拱測點豎向位移發展趨勢，如圖5所示。對于Ⅳ級圍巖中埋深100m、采用全斷面開挖的隧道，截面高寬比越小，仰拱產生的變形越大，達到穩定的時間越長。從圖中可得出，掌子面離測點越近，施工對測點位置土體位移影響越大，而后逐漸減小，并趨于穩定。相比于拱頂變形，仰拱變形較小，可作為選測項目。進行監控量測時，對于截面高寬比較小的隧道測點應布置較密，監測頻率應加大。

2.3拱腰側向位移

分析不同截面高寬比隧道拱腰測點側向位移隨掌子面推進的發展變化趨勢，如圖6。相比于拱頂和仰拱的豎向變形，隧道開挖導致拱腰測點側向變形較小。隧道高寬比越大，拱腰發生的側向位移也越大。所以對于高寬比較大的隧道（如鐵路隧道）更應看重拱腰水平周邊收斂變化量測。對于離掌子面較近的測點，隧道開挖的時候，引起拱腰發生較大的側向位移，隨著掌子面的推進，變形有減小回彈趨勢，而且隧道截面高寬比越小，變形最大值與穩定值之間的差異越大，在進行監控量測數據分析時，應注意到這一變形特征，即隧道拱腰變形達到最大值后出現回彈屬于正常現象。

3結論

①隧道截面高寬比越小，拱頂、仰拱圍巖壓應力值越小，容易出現拉應力。因而應加強監測并采取必要措施，防止拱頂、仰拱位置圍巖出現拉裂破壞。②截面高寬比越小，拱頂、仰拱產生的變形越大，達到穩定的時間越長，因此高寬比較小的隧道更應延長位移監控量測時間。③相比于拱頂和仰拱的豎向變形，隧道開挖導致拱腰測點側向變形較小。隧道高寬比越大，拱腰發生的側向位移也越大。所以對于高寬比較大的隧道（如鐵路隧道）更應看重拱腰水平周邊收斂變化量測。

參考文獻

[1]張燕清.開挖方法對隧道圍巖應力的影響分析[J].南京工程學院學報(自然科學版),2017(01):72-77..

[2]張燕清.曹源隧道施工動態監測與有限元模擬分析[J].福建交通科技,2016(2):97-101.

[3]陳治伙,彭貽希,楊相如.隧道不同開挖方式對應的監控量測方法研究[J].福建交通科技,2012(6):25-29.

作者：江進炳 單位：福建省交通建設工程監理咨詢有限公司