1、工程概況

　　張石高速公路野狐嶺1#隧道起訖里程為K19+840～K20+400，全長(zhǎng)560 m，位于野狐嶺段玄武巖臺(tái)地區(qū)，恰處分水嶺（山脊）和埡口重合地段；該隧道最大埋深位于隧道中部偏后為16.8 m，進(jìn)出口段埋深1～2 m，其余埋深5～8 m，屬于淺埋隧道。隧道圍巖主要為Ⅴ級(jí)圍巖，進(jìn)口地段圍巖以強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀玄武巖為主，次為亞粘土，地表風(fēng)化強(qiáng)度更強(qiáng)，巖質(zhì)疏松；出口地段主要為弱-強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀結(jié)構(gòu)，次為碎石土；中部地段巖石風(fēng)化程度較進(jìn)口段弱，也以強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀玄武巖為主。由于巖體風(fēng)化差異，致使疏松巖石與堅(jiān)硬巖塊相間出現(xiàn)，開挖過程很難控制開挖斷面形狀，施工困難。

　　隧道橫斷面采用雙跨連拱斷面設(shè)計(jì)，凈寬10.25 m，建筑限界高度5.0 m，凈高7.05 m.襯砌斷面采用單心圓方案，半徑為5.43 m，以利于結(jié)構(gòu)受力以及便于施工。隧道平面布置主要服從路線總體走向，采取平曲線，縱坡坡度2.673%.具體尺寸如圖１所示。

　　圖１ 隧道斷面圖

　　Fig.1 The Cross Section of the Tunnel

　　施工中遵循“先支護(hù)、后開挖、短進(jìn)尺、弱爆破、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則進(jìn)行開挖施工。對(duì)于隧道洞口采用明挖法施工，隧道洞身段采用三導(dǎo)洞先墻后拱法施工，中導(dǎo)洞先行，左導(dǎo)洞滯后中導(dǎo)洞，右導(dǎo)洞滯后左導(dǎo)洞，導(dǎo)洞均采用正臺(tái)階法施工，臺(tái)階長(zhǎng)度5-7 m，開挖進(jìn)尺按兩榀鋼架間距進(jìn)行。主洞開挖先進(jìn)行左洞，右洞滯后左洞7-10 m.主洞開挖亦采用臺(tái)階法，上臺(tái)階分部開挖預(yù)留核心土。

　　2 、有限元計(jì)算與分析

　　采用ansys軟件進(jìn)行計(jì)算分析，該軟件可以方便地模擬分部施工過程和地應(yīng)力的釋放。

　　1 計(jì)算模型的確定

　　（1）模型的建立

　　計(jì)算假定：①隧道的受力和變形為平面應(yīng)變問題；②由于埋深較淺，僅考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。依據(jù)圣維南原理，取洞徑的2~3倍作為計(jì)算區(qū)域，上邊界取至地表面；左、右邊界為水平約束，下邊界為水平和垂直約束。圍巖用二維平面應(yīng)變單元模擬，超前支護(hù)通過在加固范圍內(nèi)設(shè)置重疊單元并提高其地層的物理力學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，噴射混凝土用二維平面單元進(jìn)行模擬，二次襯砌則采用梁?jiǎn)卧M[2].網(wǎng)格按靠近開挖處較密、遠(yuǎn)離開挖處較疏的原則劃分，共劃分了1602個(gè)單元，1274個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元網(wǎng)格如圖2.

　　圖2 有限元計(jì)算模型

　　Fig.2 FEM Model

　　（2） 計(jì)算步驟

　　計(jì)算步驟分為12步：1導(dǎo)洞開挖及初期支護(hù)→2墻澆筑→3導(dǎo)洞開挖及初期支護(hù)→4主洞上部開挖→5主洞上部初期支護(hù)→6主洞下部開挖及支護(hù)→7洞開挖及初期支護(hù)→8主洞上部開挖→9主洞上部初期支護(hù)→10洞下部開挖及支護(hù)→11右洞二次初砌。加上初始應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算共12步。

　　2 計(jì)算結(jié)果及分析

　　從計(jì)算得出的各個(gè)施工階段的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力以及位移量，得出以下分析。

　　（1）中導(dǎo)洞開挖后，導(dǎo)洞拱頂沉降有7mm ；澆筑中墻后，中墻底部的圍巖出現(xiàn)小部分的塑性區(qū)，表明底部圍巖有局部的破壞，修筑中墻時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)基礎(chǔ)。

　　（2）左洞上部開挖后，中墻呈偏壓狀態(tài)，左側(cè)墻底受拉，其值為0.96MPa，并未超過混凝土的抗拉強(qiáng)度；開挖區(qū)附近圍巖的水平方向的應(yīng)力重分布情況較明顯。

　　（3）隨著右洞的開挖與初期支護(hù)后，左、右洞拱腳部位支護(hù)混凝土壓應(yīng)力增長(zhǎng)較快；中墻受力明顯改善，受力狀態(tài)趨于對(duì)稱，中墻底部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但其值并未有太大的變化，約為1MPa；左、右洞拱頂均有約4～5mm的沉降。

　　（4）二次襯砌施作后，從模筑混凝土的受力來(lái)看，仰拱普遍出現(xiàn)拉應(yīng)力，其值大部分小于0.5MPa，局部出現(xiàn)1.18MPa的拉應(yīng)力；拱頂也有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但未大于0.6MPa；中墻頂有6.63MPa的壓應(yīng)力，墻底出現(xiàn)1.01MPa的拉應(yīng)力。