楊曉華，趙濱京，吳 昊，李?lèi)?ài)明

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引 言

山嶺隧道建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到原巖軟弱破碎、埋置較深、地質(zhì)條件復(fù)雜等情況，隧道開(kāi)挖后圍巖變形量大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力持續(xù)增加，往往超過(guò)圍巖、襯砌承載極限，經(jīng)常發(fā)生初砌開(kāi)裂、圍巖變形侵入隧道凈空，嚴(yán)重者甚至產(chǎn)生塌方等不穩(wěn)定情況，對(duì)軟弱圍巖隧道的設(shè)計(jì)和施工提出了重大挑戰(zhàn)。目前，眾多學(xué)者針對(duì)軟巖隧道已經(jīng)有了一定的研究：于遠(yuǎn)祥等[1]通過(guò)錨桿軸力的反演分析，得到了榴桐寨軟巖隧道在支護(hù)狀態(tài)下的圍巖變形范圍及其位移量，合理確定了其開(kāi)挖預(yù)留變形量及支護(hù)方案；李磊等[2]通過(guò)巖石試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了茂縣隧道的變形特征及破壞模式，提出了擠壓性軟巖大變形隧道的變形和支護(hù)作用機(jī)制；戴永浩等[3]通過(guò)圍巖位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)試驗(yàn)力學(xué)分析和數(shù)值分析得到了圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律，從而提出了合理的支護(hù)方案；李鴻博等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了峽口高應(yīng)力軟巖公路隧道圍巖變形規(guī)律及結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，提出了高應(yīng)力軟巖隧道大變形的支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)策；劉高等[5]探討了隧道大變形的原因和機(jī)制，認(rèn)為它是圍巖塑性流動(dòng)與圍巖膨脹變形綜合作用的結(jié)果，并從圍巖控制角度，修正并制定了新的隧道返修方案。

目前已有的研究多集中在探索軟巖隧道的受力變形特征，進(jìn)而提出合理的支護(hù)方案，對(duì)于以軟巖隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，有限元分析為手段，來(lái)探索不同支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)影響規(guī)律的研究還很少。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)絹云母千枚巖隧道現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理分析，提出3種支護(hù)參數(shù)方案，再利用FLAC3D有限差分軟件建立以原始支護(hù)設(shè)計(jì)和3種不同支護(hù)參數(shù)方案為基礎(chǔ)的4種工況，模擬不同支護(hù)參數(shù)下結(jié)構(gòu)的受力和變形，得到不同支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力與變形的影響規(guī)律。研究成果可以為類(lèi)似的絹云母千枚化軟巖隧道在支護(hù)方案設(shè)計(jì)和支護(hù)參數(shù)調(diào)整等方面提供借鑒。

1 工程概況

成武高速2號(hào)隧道是成縣至武都高速公路南端的關(guān)鍵性工程，左線全長(zhǎng)3 763 m，右線全長(zhǎng)3 781 m，為分離式雙向四車(chē)道公路隧道，最大埋深1 040 m，地處剝蝕中山地貌區(qū)，地面標(biāo)高為1 036.0～2 074.0 m，山體地形總體較陡，呈中間高兩側(cè)低，進(jìn)口自然坡角約為40°；出口自然坡角約為50°，進(jìn)口段位于省道S205右側(cè)上部，與北峪河12號(hào)大橋相連，隧道洞內(nèi)的設(shè)計(jì)坡度分別為左線-2.27%、右線-2.22%，設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km·h-1。

隧道隧址區(qū)中前部呈中厚層狀，巖層產(chǎn)狀以85°∠50°為主，巖層走向與洞軸走向部分呈小角度斜交；隧址區(qū)后半部呈薄片狀，片理及小型褶曲十分發(fā)育，表層風(fēng)化程度較高，巖層產(chǎn)狀以110°∠60°為主，主要分布于隧道后半部分；隧道現(xiàn)場(chǎng)利用水壓致裂法對(duì)左右洞選取的6個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示地應(yīng)力的最大水平主應(yīng)力和垂直主應(yīng)力分別為9.54～15.02 MPa和8.69～15.31 MPa，經(jīng)地應(yīng)力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可判斷其屬高地應(yīng)力區(qū)；隧道左右線間距按照平面設(shè)計(jì)線30 m間距控制，為解決洞口占地和洞內(nèi)間距的矛盾，采用不平行布線方式，即在隧道洞口采用小間距方式，洞內(nèi)逐漸分開(kāi)到左右線施工不互相影響的間距，在出口處再將距離減小。隧道進(jìn)口位置左右線間距最小為17.90 m，隧道中部間距最大為32.3 m，隧道出口位置左右線間距為19 m。

隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)采用《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]推薦的標(biāo)準(zhǔn)斷面，即拱部采用半徑R=540 cm的半圓，邊墻為R=840 cm的大半徑圓弧，邊墻與仰拱的過(guò)渡圓弧R=100 cm，仰拱半徑R=1 870 cm，施工過(guò)程采用上下臺(tái)階預(yù)留核心土環(huán)形開(kāi)挖，上臺(tái)階高度為 5.4 m。襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)用復(fù)合式襯砌，即初期支護(hù)+防水板+二次襯砌，初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴混凝土和鋼拱架，二次襯砌為模筑混凝土。原始支護(hù)設(shè)計(jì)如圖1所示，初支參數(shù)見(jiàn)表1 。

隧道在掘進(jìn)過(guò)程中埋置較深，圍巖巖體強(qiáng)度低，節(jié)理極為發(fā)育，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受到施工擾動(dòng)后變形較大。鑒于以上原因，隧道掘進(jìn)中曾頻頻出現(xiàn)掌子面坍塌、初襯混凝土開(kāi)裂、鋼拱架變形、二襯混凝土破壞、仰拱開(kāi)裂并隆起等不良現(xiàn)象。

2 圍巖工程特性分析

在依托隧道隧址區(qū)取試驗(yàn)巖樣與試驗(yàn)段，分別進(jìn)行室內(nèi)和原位試驗(yàn)，從圍巖的礦物組成[7]和強(qiáng)度2個(gè)方面分析其工程特性。

表1隧道原始支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1Initial Supporting Design Parameters of Tunnel

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

2.1.1 巖性鑒定

確保巖樣的宏觀結(jié)構(gòu)與掌子面圍巖狀態(tài)相近，使試驗(yàn)結(jié)果具有代表性，將取得的巖樣用塑料紙封存，制作成厚約0.03 mm的薄片試樣，置于偏光顯微鏡下觀察，對(duì)巖樣進(jìn)行礦物成分分析，其結(jié)果如表2所示。

表2巖樣的礦物種類(lèi)及其含量Tab.2Mineral Types and Contents of Rock Samples

從巖樣的鑒定結(jié)果可知，巖石礦物成分多為石英、絹云母與綠泥石，其性狀的不同主要由所含礦物成分的多少所決定，再結(jié)合隧址區(qū)的地質(zhì)資料，判斷依托隧道屬絹云母千枚巖隧道。

2.1.2 點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)

試驗(yàn)按照《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行取樣。分別取成武高速2號(hào)隧道出口段左右線的2個(gè)掌子面不同部位的巖樣共計(jì)8組(其中2組為天然狀態(tài)試驗(yàn)，不作飽和處理)，每組巖樣不少于20個(gè)，共計(jì)取樣159個(gè)，試驗(yàn)完畢后有效巖樣146個(gè)。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3天然狀態(tài)與飽和狀態(tài)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度結(jié)果Tab.3Results of Rock Point Load Strength in Natural State and Saturated State

由以上結(jié)果可知：天然狀態(tài)下，在隧道左線，巖樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度為2.98 MPa，巖樣吸水飽和后其強(qiáng)度迅速衰減到0.70 MPa(吸水飽和巖樣3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值)；在隧道右線，巖樣的點(diǎn)荷載強(qiáng)度為3.07 MPa，巖樣吸水飽和后其強(qiáng)度迅速衰減到0.80 MPa。巖樣屬較軟巖，水穩(wěn)性極差，點(diǎn)荷載強(qiáng)度受含水影響較大。

2.2 原位試驗(yàn)

按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置，內(nèi)容包括巖體結(jié)構(gòu)面直剪試驗(yàn)和變形試驗(yàn)，試驗(yàn)橫洞位于隧道YK86+200處，分別采用平推直剪法和剛性圓形承壓板法，試驗(yàn)結(jié)果如圖2，3所示，其中，τ為剪應(yīng)力，s為水平位移，W為垂直位移，P為壓力。

室外現(xiàn)場(chǎng)巖體結(jié)構(gòu)面直剪和變形試驗(yàn)結(jié)果表明，依托隧道圍巖的內(nèi)摩擦角為32°，黏聚力為0.27 MPa，彈性模量為1.3 GPa。

綜合上述分析，依托隧道屬絹云母千枚巖隧道，圍巖軟弱，水穩(wěn)性較差，原位試驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)數(shù)值模擬提供參數(shù)依據(jù)。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[8]中的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合隧道施工過(guò)程中出現(xiàn)大變形的實(shí)際情況，制定了依托隧道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案，內(nèi)容主要包括對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形2個(gè)方面的測(cè)試。現(xiàn)場(chǎng)選取了左洞樁號(hào)位置ZK86+120和右洞樁號(hào)位置ZK86+230的2個(gè)斷面(分別稱之為斷面A和斷面B)作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試段，利用振弦式壓力盒對(duì)其進(jìn)行了初期支護(hù)圍巖壓力和二次襯砌接觸壓力的測(cè)試；利用全站儀測(cè)試了其拱頂下沉和周邊收斂量，拱頂處測(cè)點(diǎn)取在了拱頂與拱頂兩側(cè)的3個(gè)位置，周邊處測(cè)點(diǎn)選在了上、下2個(gè)臺(tái)階的位置處，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖4。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力測(cè)試結(jié)果

支護(hù)結(jié)構(gòu)受力是影響隧道圍巖穩(wěn)定性的主要因素之一，主要包括初期支護(hù)圍巖壓力和二次襯砌接觸壓力，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5，6所示(受壓為正，受拉為負(fù))。

由圖5可知：隨隧道下導(dǎo)的開(kāi)挖，斷面A在右邊墻底部與左拱腰處發(fā)生了應(yīng)力集中，最大壓力值達(dá)到2.74 MPa，結(jié)合隧道圍巖條件，巖層為斜向?qū)永?，在斜向?qū)永淼挠绊懴?，圍巖對(duì)初支結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生與層理方向大體一致的偏壓應(yīng)力，此偏壓應(yīng)力正是導(dǎo)致上述應(yīng)力集中的直接原因[9-12]，巖層節(jié)理見(jiàn)圖7；斷面B在左邊墻底部發(fā)生了較大的應(yīng)力集中，壓力值為13.77 MPa，而斷面右側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力值普遍較小，由此判斷斷面B右拱腰在圍巖壓力作用下已被壓壞，導(dǎo)致圍巖對(duì)拱架的壓力集中在斷面左側(cè)，而左邊墻底部正是邊墻與仰拱的過(guò)渡位置，在應(yīng)力重分布后在此處產(chǎn)生了應(yīng)力集中。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)肉眼觀察發(fā)現(xiàn)右拱腰有明顯鼓脹現(xiàn)象，也從側(cè)面證實(shí)了這一判斷。

對(duì)比圖5，6可知：斷面A二襯結(jié)構(gòu)受力增長(zhǎng)緩慢，且左右較為均勻，最終受力在0.3 MPa左右；斷面B二襯受力會(huì)在左邊墻底部與右邊墻位置處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，其壓力值分別占初支受力與二襯受力之和的77%和92%[13]。在二襯承擔(dān)如此高的壓力時(shí)，斷面B不能滿足隧道二襯作為安全儲(chǔ)備的條件，甚至在應(yīng)力集中較大的部位會(huì)出現(xiàn)二襯裂開(kāi)等不利情況，如在后期的觀察中發(fā)現(xiàn)斷面B邊墻部位出現(xiàn)明顯裂縫，見(jiàn)圖8。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形測(cè)試結(jié)果

支護(hù)結(jié)構(gòu)變形是圍巖及支護(hù)應(yīng)力形態(tài)變化最直觀的反映，能為地下洞室穩(wěn)定性提供可靠直接的信息，且易測(cè)取，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9，10所示。

由圖9，10可知，隨隧道掌子面向前推進(jìn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形會(huì)呈現(xiàn)與開(kāi)挖工序密切相關(guān)的三階段增長(zhǎng)的特征，包括下導(dǎo)開(kāi)挖后的迅速增加段、下導(dǎo)支護(hù)后的緩慢增長(zhǎng)段，以及仰拱封閉后的更緩慢增長(zhǎng)段。主要原因?yàn)樯蠈?dǎo)開(kāi)挖導(dǎo)致圍巖受擾后應(yīng)力重新調(diào)整，上導(dǎo)拱腳直接坐落在松散軟弱的巖層上，整體支護(hù)強(qiáng)度較低。下導(dǎo)支護(hù)后，下部鋼拱架坐落在預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)塊體上，整體支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有所加強(qiáng)；隨著仰拱封閉成環(huán)，初支的整體閉合成環(huán)，受力強(qiáng)度較強(qiáng)，變形表現(xiàn)為流變變形。兩斷面變形穩(wěn)定后的拱頂下沉和周邊收斂累積值均可達(dá)15～40 cm，一般對(duì)于軟巖隧道圍巖較差段，其預(yù)留變形量U0通常取270 mm[14]，可見(jiàn)兩斷面變形累積值均大于1/3U0，已超過(guò)其維持穩(wěn)定范圍，并存在侵占隧道內(nèi)輪廓界限的風(fēng)險(xiǎn)。

4 不同支護(hù)參數(shù)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力變形的影響

由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，隧道在原始設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)(表1)下會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、變形較大、初支破壞等不利現(xiàn)象，現(xiàn)基于此提出3種支護(hù)參數(shù)方案，分別為增加單層初支剛度、采用雙層初支、增加雙層初支剛度。再利用FLAC3D有限差分軟件[15]基于兩臺(tái)階預(yù)留核心土的模擬工法建立4種工況，工況都以斷面B處10 m長(zhǎng)的圍巖為模擬對(duì)象，不同工況的支護(hù)參數(shù)與物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4，5。選取斷面B作為計(jì)算結(jié)果提取斷面，隧道拱頂和拱部與邊墻交匯點(diǎn)分別作為拱頂沉降、周邊收斂結(jié)果提取點(diǎn)，見(jiàn)圖11。4種不同支護(hù)參數(shù)方案分別稱為工況1～4，其中工況1為隧道原始支護(hù)設(shè)計(jì)模擬結(jié)果。

表4不同工況的初支參數(shù)Tab.4Initial Support Parameters Under Different Working Conditions

表5不同工況的初支物理力學(xué)參數(shù)Tab.5Physical and Mechanical Parameters of Initial Support Under Different Working Conditions

4.1 數(shù)值模型與參數(shù)選取

計(jì)算模型尺寸為120 m×70 m×10 m，模型上下邊界各取值為3倍洞徑，左右邊界各取值為5倍洞徑。在模型左右邊界上施加X(jué)方向的水平位移約束，在模型前后邊界施加Y方向的水平位移約束，在模型底部施加Z方向的豎直位移約束，在模型上邊界與左右邊界分別施加10 MPa的圍巖原始應(yīng)力，使其與隧道豎直和水平方向應(yīng)力條件保持一致。數(shù)值計(jì)算模型見(jiàn)圖12，圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表6所示。

圍巖的物理力學(xué)參數(shù)取自于上述圍巖工程特性的分析結(jié)果；初期支護(hù)參數(shù)參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的彈性材料取值，并將鋼拱架的剛度按等效剛度折算到初期支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度中。

4.2 原始支護(hù)設(shè)計(jì)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

通過(guò)將斷面B原始支護(hù)設(shè)計(jì)模擬結(jié)果(工況1)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)探究數(shù)值模型的合理性。模擬開(kāi)挖過(guò)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)處變形曲線見(jiàn)圖13。

由圖13中的原始支護(hù)設(shè)計(jì)模擬變形曲線與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線對(duì)比可知：由于數(shù)值模擬過(guò)程中各開(kāi)挖階段可以被明確設(shè)置，故開(kāi)挖每一步隧道拱頂和周邊位移的變化情況在模擬曲線上都會(huì)被清楚記錄，所以數(shù)值模擬曲線會(huì)顯示出幾個(gè)較大波動(dòng)段，波動(dòng)處也顯示著開(kāi)挖的擾動(dòng)；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過(guò)程中，一般是根據(jù)監(jiān)控量測(cè)細(xì)則中開(kāi)始的1 d一測(cè)到3 d一測(cè)，最后為7 d一測(cè)來(lái)測(cè)量，故在此過(guò)程中不會(huì)將每一個(gè)開(kāi)挖步驟顯示特別清楚，不會(huì)產(chǎn)生模擬曲線中那么多的波動(dòng)段，模擬過(guò)程有明顯的分段增長(zhǎng)趨勢(shì)[16-17]，且拱頂豎直位移和拱腳水平位移趨于穩(wěn)定時(shí)分別為185.57 mm和330.51 mm，與前述斷面B現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試到的支護(hù)結(jié)構(gòu)閉合后趨于穩(wěn)定的拱頂和拱腳變形量相比，相對(duì)誤差分別為5.5%和7.5%，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果接近，所以本次數(shù)值模擬結(jié)果較為合理可靠。

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形對(duì)比

將4種工況監(jiān)測(cè)斷面的拱頂沉降、周邊收斂提取結(jié)果作對(duì)比，來(lái)判斷不同支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響程度。圖14，15分別為4種工況斷面提取點(diǎn)拱頂沉降、周邊收斂的變化曲線。

由圖14可知，4種工況下拱頂沉降模擬結(jié)果均顯示出4個(gè)變形階段：上臺(tái)階開(kāi)挖后，開(kāi)挖產(chǎn)生的臨空面會(huì)使圍巖土體局部卸載，而此時(shí)初支作為柔性支護(hù)并未對(duì)圍巖產(chǎn)生限制作用，會(huì)允許其產(chǎn)生一定的變形，故起初沉降較大，差別較??；開(kāi)挖至第10步，即核心土開(kāi)挖，此時(shí)上臺(tái)階受擾動(dòng)較小，初支開(kāi)始發(fā)揮作用，沉降速率變小，變小程度與4種工況的支護(hù)參數(shù)有關(guān)；在第20步，即下臺(tái)階開(kāi)挖與支護(hù)，下臺(tái)階的開(kāi)挖會(huì)對(duì)上臺(tái)階產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，沉降速率變大，而限制此擾動(dòng)的最關(guān)鍵因素就是上臺(tái)階的初支，故不同的支護(hù)參數(shù)導(dǎo)致4種工況沉降差異較大；第42步時(shí)，結(jié)果提取斷面仰拱封閉成環(huán)，沉降在略有回彈后速率變小，逐漸趨于穩(wěn)定，4種工況的沉降值分別為185.57，161.45，130.58，80.56 mm。4種工況各階段的沉降占比如圖16所示，下臺(tái)階開(kāi)挖沉降占比較大，工況4的支護(hù)參數(shù)對(duì)下臺(tái)階開(kāi)挖擾動(dòng)的限制較好，僅產(chǎn)生了此工況總沉降的46.00%。

由圖15可知，周邊收斂的模擬結(jié)果與拱頂下沉結(jié)果有著相同的變形規(guī)律，分為4個(gè)階段，每個(gè)階段的收斂節(jié)點(diǎn)和變形占比與沉降大致相同，結(jié)果提取斷面仰拱封閉成環(huán)后，收斂在略有回彈后逐漸趨于穩(wěn)定，4種工況的穩(wěn)定收斂值分別為330.51， 273.21，227.00，159.34 mm。在收斂的模擬結(jié)果中，原始設(shè)計(jì)模擬結(jié)果不同于理論計(jì)算中的圍巖均勻收斂的結(jié)果，支護(hù)結(jié)構(gòu)邊(監(jiān)測(cè)點(diǎn)3)監(jiān)測(cè)到的圍巖變形量(約為22.6 cm)顯著大于左邊(監(jiān)測(cè)點(diǎn)2)監(jiān)測(cè)到的變形量(約為10.5 cm)，占總收斂量的68.3%，主要原因是隧道圍巖屬層狀結(jié)構(gòu)，開(kāi)挖擾動(dòng)會(huì)發(fā)生順層滑動(dòng)；不同支護(hù)參數(shù)的工況對(duì)限制巖層的順層滑動(dòng)也會(huì)有所不同，主要體現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)的收斂占比(圖17)，工況4兩側(cè)占比接近50%，可以有效抑制圍巖的順層滑動(dòng)。

綜上所述，可以得到不同支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響規(guī)律：工況2拱頂處的豎直位移為161.45 mm，比工況1模擬結(jié)果減小13.0%，拱腳處的水平位移為273.21 mm，比工況1減小了17.3%；工況3拱頂處的豎直位移為145.60 mm，比工況1模擬結(jié)果減小了29.60%，拱腳處的水平位移為227.00 mm，比工況1減小了31.30%；工況4拱頂處的豎直位移為80.56 mm，比工況1模擬結(jié)果減小了56.6%；拱腳處的水平位移為159.34 mm，比工況1減小了51.8%。

4.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)受力對(duì)比

本文選取斷面上的7個(gè)特征點(diǎn)(拱頂、左右拱腰、左右拱腳、左右邊墻底部)作為結(jié)果提取點(diǎn)，將提取4種工況的第一主應(yīng)力P1與第三主應(yīng)力P3的計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，判斷不同支護(hù)參數(shù)影響下結(jié)構(gòu)的受力情況[18-19]。圖18為4種工況第一主應(yīng)力P1沿?cái)嗝娣植迹谌鲬?yīng)力P3的提取結(jié)果見(jiàn)表7。

在原始設(shè)計(jì)條件下，隧道層狀圍巖的順層滑移導(dǎo)致了支護(hù)結(jié)構(gòu)在右拱腰、右邊墻底部及左邊墻底部處發(fā)生了應(yīng)力集中。通過(guò)改變其支護(hù)參數(shù)，可以看出3種不同支護(hù)參數(shù)的工況在右拱腰處的受力情況得到了很大改善，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯減小，但是在左右邊墻底部處的集中應(yīng)力變化較小，這說(shuō)明不同的支護(hù)參數(shù)對(duì)右拱腰部位的巖層順層滑移有著不同的抑制作用，但是對(duì)邊墻與仰拱銜接處(左右邊墻底部)的應(yīng)力集中改善作用并不明顯，工況4雖在現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力的影響下右拱腰處仍有較大應(yīng)力集中，但整體受力均勻，改善效果最佳。

表7P3提取結(jié)果Tab.7Extraction Results of P3 MPa

綜上所述，可以得到不同支護(hù)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律(以第一主應(yīng)力為例)：工況2右拱腰處的集中應(yīng)力為11.18 MPa，比工況1模擬結(jié)果減小了9.1%；工況3右拱腰處的集中應(yīng)力為8.24 MPa，比工況1模擬結(jié)果減小了33.0%；工況4右拱腰處的集中應(yīng)力為6.13 MPa，比工況1模擬結(jié)果減小了50.2%。第三主應(yīng)力有著類(lèi)似的規(guī)律。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)實(shí)測(cè)隧道在深埋條件下具有變形大、變形速率大、變形時(shí)間長(zhǎng)等特征，會(huì)在拱腰、邊墻底部處出現(xiàn)比較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均，變形較大，出現(xiàn)裂縫等不利情況。

(2)采用單層初支，鋼拱架間距由75 m調(diào)整為60 m，鋼拱架型號(hào)由I18調(diào)整為I22，拱頂處的豎直位移相對(duì)于原始設(shè)計(jì)模擬結(jié)果減小了13%，拱腳處水平位移減小了17.3%，右拱腰處的集中應(yīng)力減小了9.1%；采用雙層初支，2層中鋼拱架間距與型號(hào)均與原始支護(hù)設(shè)計(jì)相同，為75 m與I18，拱頂處的豎直位移相對(duì)于原始設(shè)計(jì)模擬結(jié)果減小了29.6%，拱腳處的水平位移減少了31.3%，右拱腰處的集中應(yīng)力減小了33.0%；采用雙層初支，2層中鋼拱架的間距均為60 m，型號(hào)為I22，拱頂處的豎直位移相對(duì)于原始設(shè)計(jì)模擬結(jié)果減小了56.6%；拱腳處的水平位移減小了51.8%；右拱腰處的集中應(yīng)力減小了50.2%。

(3)增強(qiáng)雙層支護(hù)剛度對(duì)下臺(tái)階開(kāi)挖擾動(dòng)限制較好，且左右兩側(cè)的收斂占比接近，可將斷面B的拱頂沉降限制為80.56 mm，周邊收斂限制為159.34 mm，拱頂沉降為80 mm，周邊收斂為160 mm。

(4)后續(xù)可以此研究為基礎(chǔ)，細(xì)化支護(hù)參數(shù)，單獨(dú)改變鋼拱架型號(hào)、鋼拱架間距、雙層支護(hù)厚度等，得到單一因素改變對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。