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摘要：近年来，随着我国交通运输业的蓬勃发展，多数隧道工程需要在复杂的地质条件下施工，这对隧道施工技术提出了更高的标准和要求。在复杂地质条件下，隧道支护结构的稳定性在很大程度上决定着隧道施工的质量和安全。本文讨论了在复杂地质条件下，如何利用有限元模型分析隧道支护的稳定性。怎样才能确保由于复杂地质条件下，对隧道支护结构的稳定性的保护，是本文研究的关键所在。
关键词：隧道；复杂条件；支护结构；稳定性
前言
支护设施的可持续性是影响和阻碍隧道建设的主要问题。如何通过适当的支护来控制隧道的荷载分布，使围岩承载力最大化，我们面临的一个重要问题是如何确保围岩与支护体系的共同承载作用，本文结合具体工程，应分析复杂地质条件下支护隧道结构的稳定性。
一、工程概况
公路工程需要大面积隧道开挖。本工程地质环境复杂，隧道穿越区岩石类型多。上覆土为碎石土、崩坡积块石，位于隧道进口浅埋段。隧道最大埋深880m，大型暗挖隧道围岩主要成分为灰岩和白云质灰岩。沉积岩的物理参数为：灰岩中泊松系数=0.19，粘着系数C=4.0MPa，弹性模量E=8531MPa，内摩擦角=34.6°，白云岩中泊松系数0.24，粘附系数C=1.6MPa，弹性模量E=14003MPa，内摩擦角39.8°，沉积岩等级为四级。
二、隧道支护结构的主要测量方法
目前，我国隧道工程的施工和设计中，主要采用现场监测的方法，然后采用反分析法计算岩体参数和原岩应力。最后，运用经验分析方法对超前支护的安全机理进行了预测，并对隧道结构的最终稳定性进行了预测。由于隧道内地下作业材料的复杂性，包括环境地质因素、结构因素、施工过程控制水平、隧道施工能力和工程量，对岩石防护结构的研究只能停留在技术理论的简单阶段，停留在单体实体分析领域，这只是一种理论研究工具和广泛的工程实践经验。在设计和施工中的纯应用力学问题，数学理论是行不通的。必须在系统论的指导下，从隧道实际情况出发，依靠原型或模型的观测数据和反馈理论与实践。
三、有限元模型
有限元法是数值分析的主要方法之一。有限元法在复杂地质条件下的应用，可以为支护体系的稳定性分析提供重要的理论支持。有限元法可以综合分析支护结构的特点和岩体的初始条件，如三维空间效应分析、粘弹性分析和非拉伸分析。然而，在用有限元法分析支护体系的稳定性时，必须满足一定的前提条件，这些前提条件必须至少在可接受的范围内，确保计算结构的准确性。
本文对隧道支护结构稳定性的探究采用三维有限元程序进行数值模拟分析，选取典型结构截面进行深埋三维有限元分析和模拟。模拟比例尺为水平100m，垂直112m，纵向选取具有代表性的结构，长度46m。限制边界、左边界和右边界的垂直和水平移动，根据实测，围岩类型布置在顶部及上部70m范围内。选择D-P作为模型的屈服条件。在模型中，使用一个实体单元来启动隧道对一期支护进行了数值模拟，综合考虑了混凝土喷射和锚杆支护的影响。采用壳单元模拟二次衬砌，泊松比u=0.17，弹性模量E=25GPa，厚度h=0.35m，由于隧道施工围岩面积确定为Ⅵ类，因此全断面开挖法不适合本工程施工。在模拟施工方案的过程中，应考虑主开挖顺序对底盘二次结构和支撑结构的影响，并对其安全性和稳定性进行分析。根据有限元法在施工中的计算特点和优点，可以简化具体的施工程序，保证施工安全。适合隧道工程的主要施工方法有阶梯法和环形法。首先对初始状态进行模拟分析，然后计算重力场，最后进行开挖支护。
四、初期支护模拟
初步支护模拟结果表明，由于其自身的重量，对应于下降法和环法的张力场和位移场为始终如一两种设计方法的主要区别在于初始支护后的阶段，这是保证隧道施工安全、避免围岩破坏的重要环节。在计算结果分析中，以距孔10m的断面为研究对象，分析了初始支护的应力场和位移场，跟踪研究了该断面的支护特征点。
初期支护完成后，对于隧道断面中临界点的位移系数进行了简要分析并得出的分析结果表明，圆弧法的最大侧向位移和拱顶沉降均小于台阶法，开挖引起的拱顶移动（大面积）趋势较小。
此外，环形开挖法的围岩应力比台阶开挖法小。结果表明：拱顶等效应力为0.54mpa，最小主应力为-0.38mpa，最大主应力为0.14MPa，在拱腰处的最小等效应力为1.85mpa，最小主应力为-2.45mpa，最大主应力为-0.09mpa。利用台阶开挖法在拱顶产生的等效应力为0.61mpa，最小主应力为-0.42mpa，最大主应力为0.34mpa。在拱腰处模拟产生的等效应力为2.88mpa，最小主应力为-2.69mpa，最大主应力为-0.27mpa。
虽然两种开挖方法引起的位移和应力均小于环形开挖法，但通过一步开挖法，分析了初始支护后的应力特征和变形情况，结果表明，两种开挖方法都会导致隧道拱顶产生较大的沉降。如果施工引起的拉应力超过围岩和支护结构的极限值，很容易发生坍塌事故。如果拱底压应力过大，可能出现拱底剪切、起拱等问题。此外，在隧道的肩部和底部观察到一个小的应力集中。当应力超过一定限度时，容易造成局部损坏。
五、二次衬砌的模拟
通常是在围岩变形稳定后进行的，通常作为隧道结构的安全储备。但对于地质条件复杂的隧道工程，围岩分为四个层次，二次衬砌施工应在围岩大变形前进行。在这一阶段，二次衬砌既能起到受力的作用，又能达到防水的效果。根据有限元模拟结果，二次衬砌拱脚和拱腰的水平应力低于水库，垂直应力和水平应力的绝对值低于环形开挖法。结果表明，采用环向开挖法可以及时调整支护结构对围岩承载力的影响，主要载体是锚喷支护和围岩。
六、稳定措施方面
根据支护结构的位移和应力结果及环形开挖，在初期支护完成后，影响支护结构关键部位的整体稳定性，其中拱脚、拱腰、拱底拱在复杂地质条件下是最高的。为加强稳定性，提高压力，提高支护结构的承载力，在施工过程中可选择加密或增大截面钢支座间距，增加钢支撑，以保证施工安全稳定。洞外开挖引起的裸露边坡应及时处理，避免滑坡引起的土压力增大。在围岩结构参数相同的情况下，采用组合支护结构可以控制初期支护结构的最大主应力和竖向位移，有效控制拱顶结构的变形和沉降，降低隧道围岩压力。
七、结构稳定性研究
（一）支护结构稳定性的意义
地下作业主要是指沉积和保护结构的复杂性。人工加筋与周围自然沉降是一个完整的系统，由于隧道原有结构的复杂性，必须经历顶孔、一次支护、二次衬砌等施工阶段，其意义不单一、不明确，内容涉及面广。支护系统的稳定性应考虑围岩的稳定性，包括喷水、隧道变形、塌方和各种障碍物。因此，工程方向周围的围岩是茂东期的主要支护结构。人工施工后，要求支护体系稳定。
（二）复杂结构下隧道结构稳定性分析的重要性
在施工初期，支护结构必须具有固定刚度，确保正常工作的安全和空间。因此，支护结构的稳定性是施工人员应注意的问题。隧道周围围岩的位移率应降至零，为保证不进入规定空间，上部结构不应有影响其正常承载力的缝隙、裂缝或缺陷，否则容易造成倒塌等危险事故。支护结构稳定性作为岩石力学的重要组成部分，经历了从经验到理论，再到数值计算的过程。支护结构的稳定是隧道设计和施工的重要环节，直接影响到工程的安全、经济和可行性。
八、结束语
复杂的地质条件对隧道支护结构和围岩变形影响很大。根据本文采用的有限元模拟结果，在隧道施工过程中，应采取必要的加强拱顶、拱底、肩部和底部的方法，对支护结构和围岩的应力和稳定性有着显著提高的影响。
参考文献
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