谈高宽比对隧道力学变形特性影响

摘要：本文采用有限元法，针对Ⅳ级围岩中埋深100m、采用全断面开挖的隧道，计算不同截面形状对应的拱顶、仰拱和拱腰围岩应力、位移变化特征，计算分析得出：隧道截面高宽比越小，拱顶、仰拱围岩压应力值越小，容易出现拉应力，同时变形越大，达到稳定的时间越长。但隧道高宽比偏大，拱腰发生的侧向位移会相应增大。

关键词：隧道工程；高宽比；有限元；受力变形

引言

随着交通流量的增大，以及土地资源的紧缺，三车道、四车道隧道日益增多。与常见的单洞两车道隧道相比，大断面、超大断面隧道受力变形存在显著差异。为了解高宽比对隧道力学变形特性的影响，下文将针对Ⅳ级围岩中埋深100m、采用全断面开挖的隧道[1]，分别计算截面高宽比为0.69和0.48两种工况，采用MIDAS有限元软件计算分析分析不同高宽比对应的拱顶、仰拱和拱腰围岩应力、位移变化特征，了解隧道截面形状对变形和围岩应力场的影响。在此基础上针对不同的隧道截面形状提出相应的监控量测方案，为工程现场监控量测的实施提供参考。

1隧道高宽比对围岩应力的影响

1.1拱顶围岩应力

在隧道埋深、围岩等级及开挖方法相同的情况下，分析隧道截面形状对拱顶围岩应力的影响，参见图1。隧道高宽比越小，拱顶竖向应力、水平向应力值越小。尤其是竖向应力，在高宽比为0.48时，拱顶部位竖向应力（图1（a））趋向于零，但在掌子面附近出现负值。对于高宽比较小的隧道，拱顶的最小主应力出现负值（图1（d）），表明拱顶容易出现拉应力，因而要加强监测并采取必要措施，防止拱顶部位出现拉裂破坏。

1.2仰拱围岩应力

在隧道埋深、围岩等级及开挖方法相同的情况下，分析隧道截面形状对仰拱围岩应力的影响，见图2。与拱顶围岩应力变化趋势相似，隧道高宽比越小，仰拱围岩压应力值越小。对于高宽比较小的隧道，仰拱部位最小主应力出现负值（图2（d）），容易出现拉应力，因而要加强监测并采取必要措施，防止仰拱部位出现拉裂破坏。

1.3拱腰围岩应力

在隧道埋深、围岩等级及开挖方法相同的情况下，分析隧道截面形状对拱腰围岩应力的影响，参见图3。隧道高宽比较大，在隧道施工过程中对应的拱腰测点在z方向和x方向正应力较大，相应的最小主应力σ3较大，对应的最大主应力较小。对于高宽比为0.69和0.48两种情况，拱腰测点围岩应力稳定后，二者最大主应力σ1大小接近。

2隧道高宽比对变形的影响及监控方案

2.1拱顶竖向位移

通过三维计算，确定隧道截面形状对拱顶测点变形发展趋势的影响，如图4。各围岩等级对应的开挖过程中拱顶累计沉降与最终沉降的比值见表1。从图4可以得出，对于Ⅳ级围岩中埋深100m、采用全断面开挖的隧道，掌子面离测点越近，施工对测点位置土体位移影响越大，而后逐渐减小，并趋于稳定。截面高宽比越小，拱顶产生的沉降越大，测点距离掌子面较远仍有较大变形发生，沉降达到稳定的时间越长。测点位于掌子面后方一定距离处，隧道高宽比越小对应的拱顶产生的累计沉降与最终沉降的比值越小，因此高宽比较小的隧道更应延长位移监控量测时间。量测过程中，测点沿隧道轴向的布置应该考虑隧道高宽比的影响。对于高宽比较小的隧道，测点应该布置较密，相应的监测频率也应该加大[2、3]。见表1。

2.2仰拱竖向位移

通过三维计算确定对于不同的隧道高宽比，施工过程中随着掌子面推进仰拱测点竖向位移发展趋势，如图5所示。对于Ⅳ级围岩中埋深100m、采用全断面开挖的隧道，截面高宽比越小，仰拱产生的变形越大，达到稳定的时间越长。从图中可得出，掌子面离测点越近，施工对测点位置土体位移影响越大，而后逐渐减小，并趋于稳定。相比于拱顶变形，仰拱变形较小，可作为选测项目。进行监控量测时，对于截面高宽比较小的隧道测点应布置较密，监测频率应加大。

2.3拱腰侧向位移

分析不同截面高宽比隧道拱腰测点侧向位移随掌子面推进的发展变化趋势，如图6。相比于拱顶和仰拱的竖向变形，隧道开挖导致拱腰测点侧向变形较小。隧道高宽比越大，拱腰发生的侧向位移也越大。所以对于高宽比较大的隧道（如铁路隧道）更应看重拱腰水平周边收敛变化量测。对于离掌子面较近的测点，隧道开挖的时候，引起拱腰发生较大的侧向位移，随着掌子面的推进，变形有减小回弹趋势，而且隧道截面高宽比越小，变形最大值与稳定值之间的差异越大，在进行监控量测数据分析时，应注意到这一变形特征，即隧道拱腰变形达到最大值后出现回弹属于正常现象。

3结论

①隧道截面高宽比越小，拱顶、仰拱围岩压应力值越小，容易出现拉应力。因而应加强监测并采取必要措施，防止拱顶、仰拱位置围岩出现拉裂破坏。②截面高宽比越小，拱顶、仰拱产生的变形越大，达到稳定的时间越长，因此高宽比较小的隧道更应延长位移监控量测时间。③相比于拱顶和仰拱的竖向变形，隧道开挖导致拱腰测点侧向变形较小。隧道高宽比越大，拱腰发生的侧向位移也越大。所以对于高宽比较大的隧道（如铁路隧道）更应看重拱腰水平周边收敛变化量测。

参考文献

[1]张燕清.开挖方法对隧道围岩应力的影响分析[J].南京工程学院学报(自然科学版),2017(01):72-77..

[2]张燕清.曹源隧道施工动态监测与有限元模拟分析[J].福建交通科技,2016(2):97-101.

[3]陈治伙,彭贻希,杨相如.隧道不同开挖方式对应的监控量测方法研究[J].福建交通科技,2012(6):25-29.

作者：江进炳 单位：福建省交通建设工程监理咨询有限公司