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摘要：为系统模拟隧道施工开挖不同位置卸荷过程中围岩应力和径向位移状态变化，基于强度折减法和差分原理，结合反转应力释放法和不平衡力释放法原理，提出隧道不同施工开挖工序的不同应力释放法对其稳定影响。通过对比分析两种释放法的应力释放后开挖衬砌添加前衬砌径向位移和应力、施加衬砌后衬砌变形和应力以及施加衬砌后围岩变形和应力演变，探究不同释放率隧道各部位稳定影响变化，以期能为实际隧道设计与施工提供指导。研究结果表明：除拱顶外开挖不同时期两种应力释放法的释放率变化引起的隧道不同位置围岩和衬砌径向位移和应力变化吻合较好，在拱顶处虽有所差异，但有公共点，随着应力不断变化，隧道各位置的应力和径向位移总趋势一致，两种方法都可以作为隧道开挖围岩稳定研究的方法。与实际情况对比，不平衡力的应力释放法相对反转应力释放法在变化上更接近实际。
关键词：隧道；围岩稳定；反转应力释放法；不平衡力的应力释放法
1引言
当前，中国在建隧道数量和运营数量均为世界之最[1]。随着国家一带一路战略和西部大开发的战略不断开展和实施，隧道将在高速铁路，公路交通、水利和人防等工程中再次掀起建设高潮[2]。但隧道在施工过程中由于岩土自身的复杂性以及对隧道设计施工理念的缺陷，往往造成重大事故，带来人员的伤害和经济上的损失[3]。如何对在建隧道力学变化和响应机理研究，尤其对开挖过程中围岩稳定的研究逐渐得到工程界的重视。
国内外学者对隧道开挖过程中围岩稳定进行了相关研究。最早的应力释放法是Duncan和Dunlop在1969年提出的[4]，当时只是适用于均匀场的特殊情况中。国内郑颖人[5-9]学者在隧道围岩稳定方面研究也较为深入，第一次将限元强度折减法引入隧道围岩稳定分析，克服了有限元求解困难的难题，同时也提出了弹塑性理论的破坏机理，剪切安全系数以及抗拉安全系数。同时张传庆[10]等人在隧洞开挖模拟运用了平衡法，肖强[11]等人在对有衬砌隧道设计计算中运用了反转位移法。目前鲜有学者同时研究反转应力释放法和不平衡法在隧道围岩衬砌不同位置径向位移和应力变化对比。
本文基于前人学者研究的基础上，总结前人的研究经验，通过对比两种应力释放法在开挖衬砌添加前、施加初支衬砌后以及施加二衬后围岩变形和应力演变情况，设置不同比例的释放率，对比其隧道不同位置的径向位移以及应力变化趋势，以期能够引导隧道设计与施工建设。
2应力释放方法及原理
隧道开挖后围岩会因为卸荷而产生变形，形成应力释放现象，这种情况使得隧道周边节点力变小。规范中将隧道围岩周边节点力减小的比例称为应力释放率。研究应力释放率的差异对不同施工时期围岩的特征变化规律，为当前隧道施工初衬和二衬科学设计和施工提供基础。
2.1反转应力释放法
国内外众多学者提出了释放荷载的反转应力释放法。目前，用来模拟隧道开挖过程的空间效应问题主要是反转应力释放法。基本步骤如下图1所示，通过计算得到边界上的节点荷载，再通过乘上相应的控制比例反向施加在围岩上，以达到释放应力的作用。目前所采用的反转应力的方法主要是Mana法和单元应力法。
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图1 反转应力释放法模拟过程（Mana法）
隧道开挖时破坏了岩体内原有的平衡，围岩内的各质点在地应力的作用下，将沿最短距离向消除阻力的自由表面方向移动，引起围岩内应力的重新分布，直至达到新的平衡，形成所谓的“二次应力场”。开挖卸载之前，沿开挖边界上的各点都处于一定的初始应力状态，开挖使这些边界的应力解除，从而引起围岩变形和应力场的变化。从应力路径上看，隧道的开挖过程中应力场的变化是卸载的产物。对上述过程的模拟通常所采用的方法有两种：反转应力释放法和地应力自动释放法。
反转应力逐步释放法是将释放荷载按开挖和支护的工序分成几部分，多次逐步释放。图2表示应用反转应力逐步释放法开挖简单的圆形隧道时各个施工工况计算示意。
① 开挖阶段1：开挖前的初始应力状态。其中初始应力 可根据实测地应力或用有限元法计算而加以确定，后者即为围岩的自重应力。通过单元的初始应力，计算其等效节点力:
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图21-23可以看出，两种应力释放法隧道不同位置围岩应力虽有所差异，但有公共点，随着应力不断释放，隧道各位置的应力减小明显，整体趋势变化较为一致，但拱顶的应力相差较为明显。
4 机理分析
隧道开挖过程中周边围岩的位移变形和应力强度变化是判别隧道围岩稳定性的主要因素，因此隧道在开挖施工过程中，若开挖断面的地应力释放过大或释放过快，围岩容易产生较大塑性变形，从原来的稳定状态变为不稳定、易破坏状态。从两种应力释放的数据表明，反转应力释放法和基于不平衡力的应力释放法得到的结果较为相似，总体趋势一致，可以发现基于不平衡力的应力释放法在隧道应力释放上的应用可行。隧道开挖过程中由于岩土自身结构的复杂性，在施工开挖过程中容易导致开挖仰拱，拱脚发生回弹，两侧的围岩径向位移变形过大，引起开挖周边介质发生的应力变化。从上文结果图可以明显得出两种方法的结果和趋势较为一致，可以作为隧道开挖围岩稳定应力释放的方法，且数据与实际监测的数据趋势一致，符合实际效果。
5 结论
本文通过理论和数值研究对比不同应力释放法的隧道开挖后围岩稳定影响演变，得到以下结论：
（1）提出基于不平衡力的应力释放法，与传统的反转位移法进行对比，释放率变化引起隧道开挖不同位置围岩和衬砌的径向位移和应力变化趋势吻合较好。说明基于不平衡力的应力释放法可以适用于隧道应力释放。
（2）两种应力释放法的差别在于拱顶处揭示的大小不一样，随着应力不断变化，隧道各位置的应力和径向位移总趋势较为一致。
（3）计算开挖后无支护状态释放荷载围岩应力情况差异较大，不平衡的应力释放法中的隧道拱顶仰拱应力相对于反转应力释放法放大，拱脚应力释放小。
参考文献
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