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摘要：以潮汕环线高速公路西环山一号隧道右线风化凹槽段工程为依托，基于有限差分数值模拟软件构建了隧道施工动态三维模型，对比分析了风化凹槽段进行掌子面开挖时，均质围岩及夹风化残积层岩状下围岩变形特征和应力变化规律。结果表明：两种岩状下，地表竖向位移最大值均发生在隧道中线上部，但中线两侧位移变化规律出现反差，水平位移最大值发生在中岩墙上部，在风化夹层右侧边界出现位移“反弯点”；开挖断面各监测部位沉降变形规律一致，夹风化残积层岩状下，竖向应力在隧道中线两侧出现显著差异，右侧拱腰、边墙以及拱脚应力相比左侧明显较小；中岩墙水平位移均出现“反弯点”，从均质岩状过渡到夹风化残积层岩状，“反弯点”对应高度下降，中岩墙正向位移区域由上部向中部发展，逐渐扩大；拱顶累计沉降均逐渐增大，随开挖进尺增大，累积沉降差不断增大。
关键词：公路隧道；风化凹槽；围岩变形；应力变化；数值分析
0引言
随着我国高速公路山岭隧道遇到的地质条件变化幅度大，开挖后岩体所表现出的性态、岩状不尽相同。祁寒等[1]通过对半软半硬岩层施工力学效应分析，得出“半软半硬岩隧道中岩柱上部围岩稳定性较差，中部水平位移最大”的结论；韩同春等[2]对半硬半软岩层洞口段开挖过程中的中岩墙位移等项目进行监测分析，得出“中间岩柱较薄弱，开挖初期往先行洞方向移动”的结论；喻军等[3]指出，在软硬岩交界面处容易产生滑移导致塌方，应加强围岩量测。孙文君等[4]针对土石交界地层下的隧道开挖反应特征进行了研究分析；吴旭平等[5]运用FLAC3D对含软弱夹层浅埋隧道不同施工条件进行三维数值模拟分析，并结合现场实测，对围岩变形特性及控制效果进行了分析。本文选取潮汕环线高速公路西环山一号隧道右线风化凹槽段为研究对象，基于有限差分软件FLAC3D计算平台，结合施工实际，对掌子面为均质围岩和夹风化残积层两种不同围岩状况下开挖施工进行分析。
1工程概况
西环山一号隧道左线长2653m，右线长2660m，为小净距-分离式长隧道，净间距约为17.12～28.88m，最大埋深约148.10m。隧道开挖宽度约12.00m，开挖高度约10.00m。隧址区属丘陵地貌，地形起伏较大，沟谷较发育，隧道穿越丘陵山脊山谷，沿隧道走向地表由坡残积层覆盖。隧道左线ZK55+615～+815段、右线K55+615～+800段穿越风化凹槽段，该两段岩体破碎，节理裂隙发育，相邻岩层风化差异强烈[6]。右线K55+615～+800段穿越风化凹槽段地质纵断面，见图1。
2数值模拟
2.1模型及参数
选取右线K55+662～+698段风化凹槽建立模型，取隧道埋深30m，三维分析模型网格，见图2。模型长130m，高60m，隧道纵向36m，共45648个实体单元，49343个网格节点，720个结构单元。底部边界约束竖向位移，上部边界为自由边界，左右两侧边界约束水平向位移。岩体初始地应力场仅考虑自重应力场的作用。隧道围岩视为各向同性体，采用Mohr-Coulomb本构模型，开挖模拟采用null模型。网格单元采用六面体实体单元，初期支护采用shell单元，钢拱架的作用采用弹性模量等效方法折算给喷射混凝土结合在一起予以考虑。shell单元示意，见图3。围岩类型及结构物理力学参数，见表1。
2.2施工过程模拟
隧道穿越风化凹槽段时，掌子面揭露围岩表现为均质围岩逐渐过渡至“半岩半土”夹风化残积层岩状。采用两台阶法开挖，为减小相邻隧道爆破振动的不利影响，右线作为先行洞，超前左线50～80m施工；右线上台阶开挖超前下台阶15～30m。结合实际施工，模拟计算中仅考虑右线上台阶开挖支护，不考虑下台阶及左线开挖支护的影响[7-8]。均质围岩岩状和夹风化残积层岩状，见图4。模拟计算主要为了对比分析隧道穿越风化凹槽段落均质围岩和夹风化残积层两种岩状下，隧道开挖施工围岩变形及应力特征，故计算中未考虑开挖进尺的影响。隧道模型纵深36m，假定开挖与支护每循环进尺取6m，整个施工过程共6步完成。
3结果分析
3.1地表竖向位移及水平位移
两种岩状下的地表竖向位移对比曲线，见图5。竖向位移曲线均呈“V”型，最大竖向位移值都发生在隧道拱顶上部范围，向两侧位移逐渐减小，趋于收敛。以右线开挖中线为界，中线以左，夹风化残积层岩状相比均质岩状下的竖向位移值偏大，峰值高出47.9%；中线以右，夹风化残积层岩状相比均质岩状下的竖向位移值偏小，这可能与夹层的“分隔”作用有关，使夹层右侧围岩所受的开挖效应减弱。均质围岩和夹风化残积层两种岩状下地表水平位移对比曲线，见图6。水平位移变化趋势一致，最大水平位移均发生在中岩墙部位，向开挖区域逐渐减小，至夹层右侧边界出现位移“反弯点”后位移反向增大，最终趋于收敛。
3.2开挖断面沉降及应力
两种岩状下开挖轮廓各监测占竖向位移对比曲线，见图7。沉降曲线变化趋势一致，沿开挖中线基本对称分布，最大竖向位移值都发生在隧道拱顶部位，向拱腰至边墙、拱脚逐渐减小。对比发现，夹风化残积层岩状下沉降值明显偏大，峰值高出48.7%。中线以右，夹风化残积层岩状相比均质岩状下竖向位移值偏小，这可能与夹层“分隔”作用有关，使得夹层右侧围岩所受开挖效应减弱。两种岩状下开挖轮廓各监测部位竖向应力对比曲线，见图8。开挖中线右侧应力分布区别明显。均质岩状下，竖向应力曲线沿开挖中线基本对称分布，最大竖向应力发生在两侧拱脚部位；夹风化残积层岩状下，开挖轮廓两侧拱脚部位应力不均，最大竖向应力发生在左侧拱脚部位，开挖中线右侧，即处于风化残积层范围的拱腰、边墙以及拱脚竖向应力明显减小，右侧拱脚部位相比左侧竖向应力减小83.6%。
3.3中岩墙变形
两种岩状下距离上台阶底部不同高度中岩墙各监测部位水平位移对比曲线，见图9。中岩墙水平位移曲线变化特征一致，夹风化残积层岩状下中岩墙各监测部位的水平位移均大于均质岩状。两水平位移曲线均出现“反弯点”，“反弯点”对应高度以上，水平位移呈正值，朝向开挖区域，“反弯点”对应高度以下，水平位移呈负值，背离开挖区域。进一步计算发现，均质岩状下位移“反弯点”出现在8.0m高，即约1.4倍上台阶开挖高度处；夹风化残积层岩状下位移“反弯点”出现在7.2m高，即约1.2倍上台阶开挖高度处。从均质岩状到夹风化残积层岩状，“反弯点”对应高度在降低。
3.4拱顶沉降
选取隧道中间横断面拱顶作为监测部位，两种岩状下累计开挖进尺与拱顶沉降的关系曲线以及监控量测实测曲线，见图10。模拟曲线与实测曲线沉降变化规律一致。夹风化残积层下的拱顶沉降始终大于均质岩状，并且随着开挖进尺增大，拱顶沉降差不断增大。
4结语
本文采用数值软件对均质围岩及夹风化残积层两种岩状下隧道开挖施工进行了模拟计算。（1）两种岩状下竖向位移在隧道中线左、右侧表现出差异。隧道中线以左，夹风化残积层岩状下位移值较大，中线以右均质岩状下位移值较大。（2）两种岩状下沉降变形变化一致，夹风化残积层岩状下位移值始终大于均质岩状；应力变化差异明显，均质岩状下，中线两侧对称测点应力相似，夹风化残积层岩状下，中线两侧对称测点应力值表现为明显不对称，风化残积层范围部位应力较小。（3）两种岩状下，中岩墙水平位移均出现“反弯点”，随着夹层出现，“反弯点”对应高度下移，中岩墙向开挖区域侧移的范围变大。（4）通过分析拱顶沉降与累计开挖进尺关系，结合监控量测数据分析：两种岩状下，随着隧道不断掘进，拱顶沉降逐渐增大，最终趋于收敛。
作者：倪凯 单位：保利长大工程有限公司
