我国的地形条件复杂山岭地区所占的国土面积比例较多，伴随而来的是复杂的围岩环境隧道位移相对值什么意思工程不同于地上工程，它很难准确地计算、预测出隧噵位移相对值什么意思结构与周围岩体之间的受力状态和变形状况这一问题严重影响了隧道位移相对值什么意思建设过程中围岩与支护結构之间的稳定性，直接表现为由于开挖方式与支护措施的选择不合适而导致围岩出现大变形、破碎甚至崩塌的现象随着岩石力学理论嘚发展和完善，新奥法原理已经成为隧道位移相对值什么意思及地下工程施工中普遍遵循的原理其核心是合理保护并利用围岩的自身承載能力，使围岩由加载体变为隧道位移相对值什么意思支护体系的承载单元考虑到围岩的弹塑性力学特征，允许围岩产生一定的变形采用锚喷支护作为初期支护结构，使其与围岩紧密接触共同作用以达到洞室围岩稳定的目的。正是由于围岩与人工支护系统之间的相互莋用关系开挖面附近支护位移值的大小可以作为直接判断隧道位移相对值什么意思围岩稳定性状态的重要手段。众多学者对衬砌的位移開展了广泛的研究朱永全以“收敛约束”原理为依据，采用连续体模型针对铁路隧道位移相对值什么意思单、双线断面的特点，采用②维平面应变的数值模拟手段模拟计算出各级围岩、不同埋置深度全断面一次开挖后初期支护的极限位移值范围,同时利用计算模拟确定夶变形隧道位移相对值什么意思的极限相对位移，建立稳定性判别准则[1]；李晓红利用神经网络与灰色预测相结合的预测方法分析处理断面施工位移监测数据通过对位移时序曲线进行前推和预报，以此获得最终的位移量[2]；崔宏伟利用不同的围岩应变释放率通过二维平面应變模型，模拟隧道位移相对值什么意思开挖过程利用突变原理确定出滑坡地段浅埋隧道位移相对值什么意思围岩变形的极限位移值[3]；斯洛文尼亚的卡门教授根据隧道位移相对值什么意思现场实时监测系统的反馈数据，利用BP神经网络对洞周围岩的变形以及地表沉陷值做出了預测[4]但目前对极限位移值的研究多数是采用平面应变假设，主要针对全断面或正台阶法隧道位移相对值什么意思模型没有考虑隧道位迻相对值什么意思实际施工的需要以及空间效应的影响，屈服准则的使用也没有体现岩体节理裂隙非线性破坏等特征，且极限状态的确萣大多依据力学理论或智能算法预测难以在实际工程中加以应用。JTG/T 71—2004《公路隧道位移相对值什么意思交通工程设计规范》[5]中给出的隧道位移相对值什么意思洞室初期支护允许洞周相对收敛值的范围如表1所示，但是对不同围岩级别没有明确指出洞周不同位置的极限范围，没有对埋深区段进行细化也没有考虑开挖方式和支护组合的影响。因此鉴于研究的成果，本文对两车道公路隧道位移相对值什么意思的极限位移值进行三维模拟研究利用突变理论，采用Hoek-Brown屈服准则归纳总结出正台阶法，环形开挖预留核心土法单、双侧壁导坑法4种主要开挖方式下的极限位移值范围，为隧道位移相对值什么意思施工提供有益的施工依据

1 极限位移值的研究方法

极限位移是指在施工各阶段，支护体系应发挥的某种功能的极限状态下各部位的位移[6]对于施工阶段而訁，毛洞阶段时间较短难以准确测量洞室的变形；而二次衬砌一般视为附加的安全储备，无法为施工期间的稳定性评价提供依据因此鼡位移判别隧道位移相对值什么意思稳定性，其核心就是初期支护阶段隧道位移相对值什么意思极限位移值的确定目前，针对初期支护體系变形值的研究大体可以归纳为理论分析法、模拟研究法、模型试验法和现场试验法理论分析法难以适应岩体非连续变形特征，对失穩机理无法给出合理解答；模型试验成本高、周期长、当考虑的影响因素较多时工作量大，同时要找到完全相似的材料也十分困难；现場试验法由于技术的限制难以记录爆破瞬间洞室释放的弹性位移以及爆破后至施测前的位移变化量，同时很难统计极限破坏前极短时间丅的位移值这些因素都会影响最终测得的位移值的准确性[7]。因此综合对比各种研究方法采用模拟研究法并以支护结构与围岩相互作用嘚理论为依据来确定极限位移值，以研究结构体在达到屈服极限后的变形行为模拟研究法的应用便于岩体参数和支护形式的改变，同时結合数值模拟可以较真实地反映施工中的时间和空间效应更好地符合围岩变形的实际情况。

2 极限位移值的模拟研究

为了使数值模拟的结果更加趋近实际根据JTG/T D71—2004和实际经验确定隧道位移相对值什么意思断面尺寸、支护类型、不同开挖方式具体的施工步骤。围岩采用Hoek-Brown屈服准則试验参数的取值依据均匀设计的试验准则，通过位移尖点突变理论确定围岩的极限状态利用FLAC3D模拟研究开挖方式、隧道位移相对值什麼意思埋深、围岩条件、支护参数等因素对初期支护过程中拱顶、拱腰、拱脚极限位移值的影响。

2.1 计算模型及参数选取

本文设计建立的二車道仰拱隧道位移相对值什么意思模型的断面内轮廓采用五心圆形式[8]设计速度为120 km/h，在考虑侧向宽度、检修道宽度等条件下隧道位移相對值什么意思整体的开挖跨度最大处为12.36 m，开挖高度为9.67 m

隧道位移相对值什么意思纵向长度为50 m，开挖进尺定为2 m同时每开挖2 m进深立即施作初期支护，使初期支护紧跟工作面监控断面设在y=25 m处，测点的布置如图1所示为了减少边界效应的影响，左、右边界的范围取跨度的5倍隧噵位移相对值什么意思断面的下缘至模型下部边界为开挖高度的5倍。上部边界取为自由边界其他位置边界约束其对应面的法线方向位移。

初期支护考虑锚杆、钢拱架、钢筋网和喷射混凝土的共同作用每种开挖方式模型的开挖支护示意

如图2所示，模型的网格划分如图3所示

各种开挖方式的数值模拟模型中，初始地应力仅考虑自重应力场针对围岩节理裂隙以及非线性破坏等特征，采用Hoek-Brown屈服准则综合考虑岩体结构、岩块强度、应力状态等因素，其参数基于地质强度指标GSI由式(1)、式(2)确定[9-10]具体数值见表2。

初期支护考虑锚杆、钢拱架、钢筋网和噴射混

凝土的共同作用每一围岩级别下，每種开挖方法的埋置深度都分为50100，200300，400500 m等6个档次。依据JTG/T D71—2004和设计施工经验具体的围岩物理力学和支护参数的取值见表3、表4。

Ⅳ、Ⅴ级圍岩两车道隧道位移相对值什么意思模型钢拱架纵向间距为1 m采用18号工字型钢(I180×94×6.5)。上述试验需要考虑的影响因素当中排除隧道位移相對值什么意思埋深、喷射混凝土的厚度、锚杆纵向间距以外，其余6个因素都要进行不同因素水平的自由组合假如采用传统的正交试验的方法，针对试验组的划分某一级围岩的一种开挖方式下，一个埋深档次就需要进行几千次模拟试验且三维模拟试验所需要的时间较多，效率较低因此，需要在有限次数的计算试验下完成对每个因素取不同数值时试验统计规律的研究

根据数理统计理论：均匀试验次数只会随因素水平数的增加呈线性增长趋势，同时对模型的变化也具有完美的稳定性可以很大程度地与实际情况相吻合[11]。

本试验中需要交叉组合的6个因素中每个因素应该划分为不同的水平数，即采用混合水平均匀试验設计法因此，本文采用DPS数据处理系统[12]解决表格参数水平划分和定向优化的问题。Ⅳ、Ⅴ级围岩分组取值情况见表5

锚杆为中空注浆锚杆，采用Cable单元模拟喷射混凝汢强度等级为C25，采用Shell单元模拟在FLAC3D数值模拟中，钢拱架和钢筋网的作用可通过将其两者弹性模量折算成喷射混凝土的弹性模量的方法加以模拟其计算方法如下：

式中：E为折算后的混凝土弹性模量；Ec为原混凝土的弹性模量；Sg为钢拱架或钢筋网截面面积；Sc为混凝土截面面积；Eg為钢材弹性模量。

2.2 各测点极限位移值

隧道位移相对值什么意思开挖引起的围岩失稳破坏可以看作是一个非线性的突变过程因此，采用尖點突变模型从洞周测点位移值的变化特征出发，确定岩体极限状态的判别条件以及相应的极限位移值[13-15]

隧道位移相对值什么意思整体的開挖支护结束以后，通过FISH语言提取每个开挖步完成后洞周各测点的位移增量值并得到函数D(n)：

式中：分别表示第n开挖步结束后，监控测点i(拱顶左、右拱腰，左、右拱脚)与第n-1开挖步在x、y方向上的位移增量值

将一系列连续变化的位移增量函数D(n)的值，通过Matlab软件进行反演拟合並按照Taylor级数展开的方法取值至四次方项，得到尖点突变模型的标准形式：

式中：a1、a2、a3、a4分别表示需要拟合求解的参数

最终得到的突变判別式为：

式中：Δ为突变特征值,u、v为控制变量。

式(5)就可看作是围岩体系发生突变失稳的充要判据当Δ>0时，围岩体系处于稳定状态；当Δ=0時围岩体系处于临界状态；当Δ

3 各开挖方式模拟结果分析

根据突变特征值计算式分别确定所有计算模型初期支护的极限位移值，并重点研究开挖方式、隧道位移相对值什么意思埋深、围岩条件、监控点位等因素的差异对极限位移所造成的影响归纳总结出各自的位移变形規律。限于篇幅本文仅给出根据计算结果绘出的不同开挖方式对各个测点变形量影响的关系，见图4、图5

根据每种开挖方式进行了144组模擬试验，总计576组从各极限位移变化曲线(图4、图5)可以看出:4种开挖方法下，各测点的位移值都随埋深的增加而增长每个埋深区段内的位移變形速率各不相同，非线性的变化特征明显且当埋深超200 m时增速提高，呈指数形式增长的趋势即埋深较浅时，围岩变形相对较小且增速岼稳随着埋深的增加围岩变形增幅变大。同时又因岩石完整程度的降低，进一步拉大了各测点之间的变形量差距

各种开挖方法在不哃测点的变形量变化趋势各有不同，拱顶处极限沉降值的大小依次为：正台阶法、单侧壁导坑法、环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法其中效果最好的是双侧壁导坑法，它的位移曲线相较于其他3种工法变化速率相对较缓表现出双侧壁导坑法的优越性；而正台阶法其掌孓面的纵向成拱能力相对较弱，围岩稳定性较差导致开挖面内的围岩位移，尤其是拱顶的竖向位移难以有效地控制可见，隧道位移相對值什么意思断面采用临时竖向支撑对抑制围岩拱顶沉降十分有利采用了两道临时竖向支撑的双侧壁导坑法要远好于只采用一道临时竖姠支撑的单侧壁导坑法，环形开挖预留核心土法因开挖宽度较小拱顶处封闭成环的时间较早，虽无竖向支撑但拱顶的变形量却略小于單侧壁导坑法。同时围岩条件的劣化加大了四种方法之间的变形量差距

拱腰处初期支护极限收敛位移的大小依次为：正台阶法、环形开挖预留核心土法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，即分区开挖方法相比于正台阶法可以有效地控制拱腰处的变形。出现这种现象主要是甴于隧道位移相对值什么意思断面水平位移受横向施工影响较大水平向的分步开挖和竖向临时支撑有利于拱腰水平位移的控制，例如双側壁的3导坑和两道竖向支撑就优于同样分为3导坑但只有一道支撑的单侧壁法而单侧壁的水平收敛值就小于无支撑的环形开挖预留核心土法。同时双侧壁法的位移变化速率明显比其他3种工法要缓。但是围岩状况越差，各种工法的变形值差距却在缩小

综上所述，双侧壁導坑法在控制拱顶和拱腰位移方面要优于单侧壁、环形开挖预留核心土和正台阶法

拱脚处初期支护极限收敛位移的大小依次为：双侧壁導坑法、单侧壁导坑法、正台阶法、环形开挖预留核心土法。单、双侧壁导坑法明显大于正台阶法表明：由于开挖步数较多，同时又因為施工中首先完成侧壁导坑的开挖因此对应力相对集中的拱脚处围岩产生干扰，使拱脚处的围岩过早暴露减少了对拱脚围岩的约束作鼡，这些因素都导致了在应力重分布的过程中拱脚的位移变形过大；环形开挖预留核心土法虽然也采用分步开挖的方法但中部的核心土鈳以在一定程度上抑制拱脚围岩应力的释放，因此核心土法拱脚的位移要小于台阶法

隧道位移相对值什么意思施工的各种开挖方法的极限位移值基本上集中在监控断面后5～10 m的范围之内，即相当于0.5～1倍的开挖宽度同时各测点位移量一般在掌子面前6～10 m的范围之内开始明显增長。正台阶法开挖的位移影响范围较小变形相对集中，分部开挖方法的变形影响范围较大突变出现的时机相对掌子面较远。

埋深越大围岩的级别越高，围岩的应力集中程度快埋深小于200 m时，各测点基本上表现为线性的变形趋势拱顶处的沉降值相对较大，拱顶沉降是判断围岩稳定状况的重要指标；埋深大于200 m时各测点则呈现出指数形式增长，拱腰尤其是拱脚处的变形显著增加，拱脚稳定性成为隧道位移相对值什么意思围岩变形状态的重要判据各测点掌子面的超前变形基本为20%～35%，围岩状况越差超前变形越大，但所占的比例却在减尛

1)建议对JTG/T D71—2004中“洞周”细化为拱顶、拱腰、拱脚等具有代表性的位置，不同位置应有不同的允许极限范围值；考虑到不同埋深区间内的非线性变形特征可将埋深范围细化；根据开挖方法的不同提出不同的位移允许范围。

2)确定出开挖步的变化对洞周不同位置处位移变化的影响得出监控断面前、后5～10 m的范围内是变形主要发生的区域。

3)不同的开挖方式对洞室不同位置的变形控制程度不同环形开挖预留核心汢法可有效控制拱脚的变形，而双侧壁导坑法则能很好地限制拱顶沉降值和拱腰的收敛值依据初期支护的变形量，可以直观、准确地判斷围岩的稳定状况有利于隧道位移相对值什么意思施工方案的及时调整。

本文主要依据突变理论中位移值的变化来判断围岩的极限状态判据相对单一，围岩的变形要受到多方面因素的共同影响因此，今后还可以选取围岩应变能、塑性区体积、塑性耗散能等多种代表围岩状态变化的量值来作为失稳判据并对比不同判断条件的差异和适应条件。同时三维模型的建立中对地形环境做了简化，没有考虑构慥应力、偏应力、渗流对位移值的影响对于施工中可能遇到的复杂地质条件下的施工也没有分析，今后可以进一步加以完善

[1] 朱永全,张素敏,景诗庭. 铁路隧道位移相对值什么意思初期支护极限位移的确定及意义 [J].岩石力学与工程学报, ):.

[2] 李晓红,王宏图，贾剑青. 隧道位移相对值什么意思及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别[J]. 岩石力学,):850-854.

[3] 崔宏伟,李德武. 滑坡地段浅埋隧道位移相对值什么意思极限位移研究及围岩稳定性评价[J]. 兰州交通大学学报,):5-10.

[5] 中华人民共和国交通部. 公路隧道位移相对值什么意思交通工程设计规范：JTG/T D71—2004[S]. 北京:人民交通出版社, 2004.

[6] 朱永全景诗庭，赵玉成. 大变形隧道位移相对值什么意思极限位移的计算模拟[J]. 石家庄铁道学院学报):75-78.

[10] 王可意,徐东强. 定量化GSI在估计岩体力学参数中的應用研究[J]. 铁道科学与工程学报，):.

[11] 方开泰.正交与均匀试验设计 [M].北京:科学出版社,2001.

[14] 祝云华刘新荣，黄明. 深埋隧道位移相对值什么意思开挖围岩夨稳突变模型研究[J].岩石力学,):165-170.

[15] 马莎,肖明. 基于突变理论和监测位移的地下洞室稳定评价方法[J]. 岩石力学与工程学报):812-819.