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摘要：结合具体工程，阐述了大断面隧道的特点、新奥法施工原理及其在隧道工程中的作用，并基于有限元软件ANSYS对隧道进行了施工力学模拟。
关键词：大断面 全断面开挖 新奥法 数值模拟
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)005-008-02
1. 概述
随着我国高等级公路的发展，大断面公路隧道将成为高等级公路隧道的重要组成部分。我国大断面公路隧道是随着我国经济实力的提升而迅猛发展的，它适应于高等级公路，提高公路的通行能力，缓解因交通量剧增而带来的通行压力。由于我国大断面公路隧道发展较迟，在设计、施工及其关键技术、围岩稳定性研究等许多方面同一些发达国家有不小的差距。本文通过数值模拟大断面隧道开挖工法，以求能对大断面隧道的设计和施工有一定的指导意义。
2. 新奥法的施工原理
新奥法的要点主要是把围岩体和支护视为承载结构体系，围岩是主要的承载对象，支护结构用来限制围岩变形。在施工过程中，采用动态施工方式，即：对支护结构进行监控量测指导进一步的施工。
2.1 支护结构与围岩的相互作用影响因素
(1)岩体的初始应力状态；(2)岩体的特性；(3)支护结构的特性；(4)支护结构与围岩的接触条件；(5)支护结构参与工作的时间；(6)施工技术。
2.2 支护结构与围岩的相互作用计算法
2.2.1 数值计算法
有限单元法，取3～5倍洞径范围进行分析。可简化为平面应变问题，各向同性的均质弹性体，或弹塑性体，或粘弹塑性体。单元类型：三角形、四边形、回填的弹簧单元、锚杆的梁单元、防水层的节理单元、衬砌梁单元、各种体单元。
2.2.2 剪切滑移破坏法
开挖隧洞在荷载(竖向荷载大于水平荷载)作用下，水平直径的两侧形成压应力集中而产生剪切滑移面。随着压应力的不断增加，剪切滑移面不断地向水平直径的上下方且与最大主应力轨迹线成45°－θ／2(西是围岩的内摩擦角)方向扩展。由于围岩受剪而松弛，产生应力释放。当围岩的应力较小，剪切滑移面不再继续扩展时，则在坑道水平直径两端形成两个剪切楔形滑移块体。
在无支护情况下，两楔形滑移块体，由于剪切面与围岩体分离，向坑道内移动。之后，上下部分围岩体由于楔形块体滑移失去支撑力，产生挠曲破坏而坍塌。最后形成一个暂时稳定的垂直椭圆形洞室；当水平侧向压力大于垂直压力时，则形成水平椭圆形洞室。
2.2.3 特征曲线法
特征曲线法又叫变形法，或收敛，约束法。特征曲线法是通过支护结构和围岩的相互作用，求解隧道支护结构在荷载作用下的变形和围岩在支护结构约束下的变形之间的协调平衡。即利用围岩的特征曲线与支护结构的特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件。交会点的物理意义：隧道开挖后为了稳定围岩而在围岩表面所需要提供的支护抗力与支护结构本身所提供的支护抗力相平衡。
3. 隧道施工过程数值模拟
3.1 工程概述
本项目线路轴线两侧各500m范围内出露的地层主要有中生界上侏罗统茶湾组(J3c)、中生界上侏罗统大爽组(J3d)、中生界下白垩统官头组(Klg)和第四系地层。隧道埋深120m，围岩为V级，E=1.5×10°，密度p=1800kg／m3，c=20kpa，泊松比u=0.35，内摩擦角θ=45°。衬砌结构采用C30，E=32e9，泊松比=0.25，密度=2300kg／m3按按照《公路隧道设计规范》进行荷载内力计算。
3.2 数值模拟
3.2.1 模型建立
依据工程资料，选取最不利断面建立结构分析模型，确定断面参数(图1)
3.2.2 结构计算模型
该隧道开挖宽度为11.0m，计算边界选择5倍开挖宽度，即计算模型取距离中心各55m，下方55m，模型网格如(图2)，计算时将岩层近似为均匀连续弹性介质考虑，采用地层结构模式，外荷载只考虑岩土体的自重。
边界约束条件为：上边界设为自由边界，两侧边界水平约束，底边界设为垂直约束，衬砌结构采用梁单元模拟。
3.3 結果分析
计算衬砌内力变形图(如图3、4、5、6)
数值分析模拟了大断面隧洞开挖后的受力和变形状态，得出了隧道开挖过程地表土体在自重作用下的沉降变形，以及内力变化情况，结合新奥法施工实际监测资料随时调整施工方法、支护体系合理指导施工安全高效进行。
4. 结语
新奥法广泛应用于隧洞施工，其特点在于：在开挖面及时施做密贴于围岩的柔性喷射混凝土锚杆支护以控制围岩的变形，在围岩、支护共同变形中调整围岩应力重分布，最大限度地保持围岩本身的强度和自承能力；结合数值分析得出隧道结构的受力特性，合理有效的为施工提供理论依据。
参考文献：
[1]李志业，王明年，何川，大跨度地下结构不同施工方法对围岩力学行为的影响[J]，西南交通大学学报，1996，31(6)：607-612.
[2]李嘉，唐雨春，徐松，大断面隧道建设的若干问题综述[J]，西部矿探工程，2008，3：151-153.
[3]蒋树屏，黄伦海，胡学兵，超大断面公路隧道的设计与研究[J]，地下空间与工程学报，2005，1(1)：54-61.
[4]向帝北，超大断面隧道的设计与施工[J]，地下空间，1991，11(4)：335-348.
关键词：大断面 全断面开挖 新奥法 数值模拟
中图分类号：TU7 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2011)005-008-02
1. 概述
随着我国高等级公路的发展，大断面公路隧道将成为高等级公路隧道的重要组成部分。我国大断面公路隧道是随着我国经济实力的提升而迅猛发展的，它适应于高等级公路，提高公路的通行能力，缓解因交通量剧增而带来的通行压力。由于我国大断面公路隧道发展较迟，在设计、施工及其关键技术、围岩稳定性研究等许多方面同一些发达国家有不小的差距。本文通过数值模拟大断面隧道开挖工法，以求能对大断面隧道的设计和施工有一定的指导意义。
2. 新奥法的施工原理
新奥法的要点主要是把围岩体和支护视为承载结构体系，围岩是主要的承载对象，支护结构用来限制围岩变形。在施工过程中，采用动态施工方式，即：对支护结构进行监控量测指导进一步的施工。
2.1 支护结构与围岩的相互作用影响因素
(1)岩体的初始应力状态；(2)岩体的特性；(3)支护结构的特性；(4)支护结构与围岩的接触条件；(5)支护结构参与工作的时间；(6)施工技术。
2.2 支护结构与围岩的相互作用计算法
2.2.1 数值计算法
有限单元法，取3～5倍洞径范围进行分析。可简化为平面应变问题，各向同性的均质弹性体，或弹塑性体，或粘弹塑性体。单元类型：三角形、四边形、回填的弹簧单元、锚杆的梁单元、防水层的节理单元、衬砌梁单元、各种体单元。
2.2.2 剪切滑移破坏法
开挖隧洞在荷载(竖向荷载大于水平荷载)作用下，水平直径的两侧形成压应力集中而产生剪切滑移面。随着压应力的不断增加，剪切滑移面不断地向水平直径的上下方且与最大主应力轨迹线成45°－θ／2(西是围岩的内摩擦角)方向扩展。由于围岩受剪而松弛，产生应力释放。当围岩的应力较小，剪切滑移面不再继续扩展时，则在坑道水平直径两端形成两个剪切楔形滑移块体。
在无支护情况下，两楔形滑移块体，由于剪切面与围岩体分离，向坑道内移动。之后，上下部分围岩体由于楔形块体滑移失去支撑力，产生挠曲破坏而坍塌。最后形成一个暂时稳定的垂直椭圆形洞室；当水平侧向压力大于垂直压力时，则形成水平椭圆形洞室。
2.2.3 特征曲线法
特征曲线法又叫变形法，或收敛，约束法。特征曲线法是通过支护结构和围岩的相互作用，求解隧道支护结构在荷载作用下的变形和围岩在支护结构约束下的变形之间的协调平衡。即利用围岩的特征曲线与支护结构的特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件。交会点的物理意义：隧道开挖后为了稳定围岩而在围岩表面所需要提供的支护抗力与支护结构本身所提供的支护抗力相平衡。
3. 隧道施工过程数值模拟
3.1 工程概述
本项目线路轴线两侧各500m范围内出露的地层主要有中生界上侏罗统茶湾组(J3c)、中生界上侏罗统大爽组(J3d)、中生界下白垩统官头组(Klg)和第四系地层。隧道埋深120m，围岩为V级，E=1.5×10°，密度p=1800kg／m3，c=20kpa，泊松比u=0.35，内摩擦角θ=45°。衬砌结构采用C30，E=32e9，泊松比=0.25，密度=2300kg／m3按按照《公路隧道设计规范》进行荷载内力计算。
3.2 数值模拟
3.2.1 模型建立
依据工程资料，选取最不利断面建立结构分析模型，确定断面参数(图1)
3.2.2 结构计算模型
该隧道开挖宽度为11.0m，计算边界选择5倍开挖宽度，即计算模型取距离中心各55m，下方55m，模型网格如(图2)，计算时将岩层近似为均匀连续弹性介质考虑，采用地层结构模式，外荷载只考虑岩土体的自重。
边界约束条件为：上边界设为自由边界，两侧边界水平约束，底边界设为垂直约束，衬砌结构采用梁单元模拟。
3.3 結果分析
计算衬砌内力变形图(如图3、4、5、6)
数值分析模拟了大断面隧洞开挖后的受力和变形状态，得出了隧道开挖过程地表土体在自重作用下的沉降变形，以及内力变化情况，结合新奥法施工实际监测资料随时调整施工方法、支护体系合理指导施工安全高效进行。
4. 结语
新奥法广泛应用于隧洞施工，其特点在于：在开挖面及时施做密贴于围岩的柔性喷射混凝土锚杆支护以控制围岩的变形，在围岩、支护共同变形中调整围岩应力重分布，最大限度地保持围岩本身的强度和自承能力；结合数值分析得出隧道结构的受力特性，合理有效的为施工提供理论依据。
参考文献：
[1]李志业，王明年，何川，大跨度地下结构不同施工方法对围岩力学行为的影响[J]，西南交通大学学报，1996，31(6)：607-612.
[2]李嘉，唐雨春，徐松，大断面隧道建设的若干问题综述[J]，西部矿探工程，2008，3：151-153.
[3]蒋树屏，黄伦海，胡学兵，超大断面公路隧道的设计与研究[J]，地下空间与工程学报，2005，1(1)：54-61.
[4]向帝北，超大断面隧道的设计与施工[J]，地下空间，1991，11(4)：335-348.