随着我国公路交通的迅猛发展，在中西部多山地区隧道建设过程中常需穿越地质条件差的地层，凝灰岩地层就是其中一种[1-2]。由于凝灰岩具有遇水软化等特性，使得隧道在施工过程中经常发生大变形、塌方等事故，严重威胁着施工人员及设备安全，带来经济损失[3-4]。因此，有必要结合工程实际，对凝灰岩隧道开挖与支护过程中围岩遇水软化情况进行研究。本文依托在建的西藏林拉高速公路米拉山隧道，研究围岩遇水软化对隧道围岩和支护结构的影响程度，及隧道围岩和支护结构在隧道开挖不同阶段围岩遇水软化所引起的力学响应，评价隧道后期的安全性，指导施工。

1 凝灰岩软化影响实测结果分析

图1为米拉山隧道YK4480+495断面拱顶沉降及周边收敛实测曲线，图2为米拉山隧道YK4480+495断面拱顶沉降速率及周边收敛速率曲线。由图1及图2可见，隧道上台阶开挖后前10 d，拱顶沉降及周边收敛速率小且较稳定，但从开挖后的第11 d开始，拱顶沉降及周边收敛速率开始快速增大，这是由于受断层影响，加上持续的降雨，地表水沿断层渗入隧道所在围岩地层，围岩开始遇水软化，经过7 d以后，变形速率逐渐减小并趋于稳定，在下台阶准备开挖前几天，拱顶沉降达到186.83 mm，上台阶周边收敛达到287.60 mm，下台阶开挖后几天，拱顶沉降速率又开始变大，下台阶周边收敛速率较均匀，后期随着仰拱的施作和围岩应力释放，变形速率开始减小，最终沉降速率为1.86 mm/d，下台阶周边收敛速率为1.07 mm/d。最终拱顶沉降量为226.85 mm，上台阶周边收敛达到287.60 mm，下台阶周边收敛为18.30 mm。由此可知，凝灰岩遇水软化对米拉山隧道围岩变形影响十分明显。

  

图1 YK4480+495断面拱顶沉降及周边收敛曲线图

  

图2 YK4480+495断面拱顶沉降及周边收敛速率曲线图

2 凝灰岩软化隧道影响数值计算分析

2.1 计算模型

由于公路隧道属于细长结构物，即隧道的横断面相对于纵向的长度来说很小，可以假定在围岩荷载作用下只有横向位移，而没有纵向位移。建模尺寸以隧道为中心水平向取60 m，竖向取80 m；两侧边施加X方向约束，底边施加X和Y方向约束；隧道围岩材料特性按均质弹塑性考虑，采用弹塑性有限元模型，屈服条件为德鲁克-普拉格(Drucker-Prager)[5-6]；围岩采用三维实体单元，锚杆采用cable杆单元，初期支护采用shell结构单元，二次支护采用三维实体单元，仰拱采用三维实体单元，仰拱和围岩之间用接触面处理[7-8]。在隧道结构的附近采用细密单元，模型单元总数55 142个,节点总数76 806个。有限元网格模型如图3所示。

豪迈集团(HOMAG)作为一家全球性的企业，能够通过从销售端到整个生产流程的数据连续性，以及各种软件包为客户提供数字化生产的解决方案。豪迈的产品从针对手工业企业的单机设备，直到针对高度工业化的、定制家具生产的完整网络化生产线。豪迈的客户使用豪迈集团的高科技机器与设备生产客厅与办公家具、厨房家具、实木与复合地板、门窗、楼梯以及整体木结构房屋。

  

图3 计算模型

2.2 计算参数

根据米拉山隧道工程地质地勘报告资料，结合工程经验类比，确定米拉山隧道计算参数见表1。

 

表1 计算参数表

  

项目弹性模量/GPa泊松比黏聚力/MPa内摩擦角/(°)软化系数容重/(N·m-3)凝灰岩1．50．450．03422．40．512×103锚杆2100．267．85×104喷射混凝土25．50．202．4×10420a工字钢2000．267．85×104二次衬砌混凝土300．202．4×104

2.3 计算工况与测点布设

为研究凝灰岩软化对米拉山隧道开挖与支护的影响，选择了4种计算工况：①未遇水情况下的隧道开挖与支护(工况1)；②上台阶开挖以后，下台阶开挖以前围岩遇水软化后，再进行下台阶开挖(工况2)；③二次衬砌支护完成后围岩遇水软化(工况3)；④上台阶开挖后围岩遇水软化，初期支护变形未完成就进行下台阶开挖和二次衬砌的施作(工况4)。

为便于研究，布置如图4所示监测点，监测点1，2，3，4，5，6，7和8分别代表隧道位置为左拱脚、左边墙、左拱肩、拱顶、右拱肩、右边墙、右拱脚和拱底。

  

图4 隧道测点布置

2.4 计算结果与分析

2.4.1 凝灰岩遇水软化对隧道围岩及初衬支护的影响分析

由于“现代性”的冲击与侵入，社会转型的加快，不少乡村的传统社会结构开始解体与崩塌，面临着价值理念内向化、虚无化，人际关系疏离化、理性化，乡村治理高成本、碎片化的事实，［2］乡村传统的人际结构和社会生态逐渐变形和扭曲，村民的原子化趋势和不信任感加剧。而农村基层自治组织文化的涵养与培育，村民自治制度的完善和健全以及基层治理格局的优化无疑将有助于重构村民之间的社会联结，增强村民之间的利益纽带，建构乡村共同体意识，从而修补乡村社会生态，增加乡村社会资本。

  

图5 工况1与工况2围岩各测点竖向位移曲线

十年前后的课堂教学中绝大部分学习材料来自“教师”的事先预设，只在“多倍”理解中有少数材料来自“学生”。十年前后材料的情境外衣发生了变化，但实质是“几个多少”，即“多少的几倍”，那么我们是否可将这个“干货”回归到更简单质朴的数学情境中，让学生参与“创造”知识的过程，在创造知识的过程中又创造学习材料，让学习真实发生。

由图5可见，除8号监测点外，其余监测点工况2下围岩竖向位移均大于工况1下围岩竖向位移，其中，监测点1和7竖向位移相差不明显，监测点2至6竖向位移相差明显，由此可知，凝灰岩软化后围岩发生的变形是未发生软化的围岩变形的5～6倍，最大竖向位移值约27 cm，与图1中的实测最大拱顶竖向沉降值29 cm比较接近，这进一步说明了凝灰岩软化后米拉山隧道围岩变形很大，严重影响隧道的开挖与支护。

4）目前高校多采用放录像的形式让学生进行相应的实验学习，学生只能初步了解实验内容。这种实验方式应用在控制工程基础教学中，对培养本科生应用能力和工程实践能力是极为不利的，与国家要求的本科素质培养也有一定的差距。

2) 围岩应力分析。工况1与工况2隧道周边围岩各测点第一主应力见图6。

  

图6 工况1与工况2监测点围岩第一主应力曲线

形式主义的根源，是名利思想和懒惰作风作怪。自私主义滋生功利主义，功利主义滋生形式主义。无论是不符合实际的政绩工程，还是不负责任的工作作风，都是私心和私欲在膨胀。只顾个人前途，只为上级高兴，只图自己舒服，不顾长远利益，不讲实际效果，不管群众疾苦。

3) 喷射混凝土层内力分析。工况1与工况2监测点处喷射混凝土层弯矩见图7所示，各监测点处喷射混凝土层剪力见图8所示，各监测点处喷射混凝土层轴力见图9所示。

  

图7 工况1与工况2各监测点处喷射混凝土弯矩曲线

由图7可见，除两侧拱脚处外，其余各处监测点喷射混凝土层弯矩相差明显，各监测点处弯矩值越小，2种工况下弯矩值相差也就越小，反之越大。最大弯矩值均出现在两侧拱肩处，拱顶处弯矩相对较小。由此可见，围岩在上台阶开挖后遇水软化再进行隧道的开挖与支护最终喷射混凝土层的弯矩变化非常明显。

  

图8 工况1与工况2各监测点处喷射混凝土剪力曲线

由图8可见，2种工况下两侧拱脚、拱顶监测点处剪力相差相对较小，剪力相对差值最大的位置出现在两侧边墙处，工况2条件下边墙处的剪力明显增大，其原因是上台阶开挖后围岩遇水软化，喷射混凝土层在水平方向受到向隧道方向的压力增大，并且隧道内部下台阶围岩也软化，使得抵抗变形的作用力减小。

由图6可见，2种工况下，除监测点8处围岩第一主应力相差较大外，其余监测点处围岩第一主应力均相差不大。监测点8处工况2下第一主应力小于工况1下第一主应力，其原因是围岩软化后，拱底变形增大，应力得到释放。

  

图9 工况1与工况2各监测点处喷射混凝土轴力曲线

由图9可见，在2种工况下各监测点处喷射混凝土层的轴力相差均不大，除左拱肩、拱顶处喷射混凝土层轴力在工况2条件下略大于工况1外，其余监测点处喷射混凝土层轴力都是工况1条件下大于工况2条件下。由此可知，上台阶开挖围岩遇水软化后再进行隧道的开挖与支护，最终喷射混凝土层的轴力影响较小。

在20世纪80年代初期，奥林匹克运动遭受来自国际社会各种政治力量的持续攻击，奥林匹克组织内部由于缺乏团结、共同的行为准则，再加上任何财政资源让它能够保持足够的独立性来抵抗政治势力的干扰，几乎成为全球紧张局势的人质。到了20世纪90年代，奥林匹克运动包括主办城市、电视转播机构、赞助商以及其他一些组织等各个利益共享者在组织内部达成广泛一致，奥林匹克运动在组织的协同一致中发展迅速。

2.4.2 凝灰岩遇水软化对二次衬砌及仰拱的影响分析

1) 工况3、工况4二次衬砌竖向位移分析。工况3、工况4二次衬砌及仰拱竖向位移变化见图10。

1) 围岩变形位移分析。工况1与工况2围岩各测点竖向位移见图5所示。

  

图10 工况3、工况4各监测点二次衬砌竖向位移曲线

由图10可见，工况3条件下各监测点处二次衬砌竖向位移均向下，仰拱处监测点位置竖向位移向上；工况4条件下监测点处二次衬砌竖向位移除两侧拱脚向上外，其余都向下，但值都很小，仰拱处监测点位置竖向位移也向上，最终竖向位移和工况3条件下相差不大。由此可知，在隧道变形未完成就施作二次衬砌的工况下，二次衬砌的最终位移小于二次衬砌施作完成后位移遇水软化的工况，且仰拱的向上凸起工况也小于后者。

比如讲授这道中考试题：国家电力总公司为了改善电费过高的问题，目前正在全国各个地区进行电网改造.恰有四个小区A、B、C、D位于一个正方形的四个顶点处，现计划为这四个小区联合架设一条线路，工作人员设计了四种架设方案，如图2中的实线所示，请问哪种架设方案最省电线？

2) 4种工况二次衬砌及仰拱的受力状态分析。4种工况二次衬砌及仰拱处各监测点处第一主应力变化见图11所示，各监测点第三主应力变化见图12所示。

  

图11 4种工况各测点二次衬砌及仰拱第一主应力曲线

由图11可见，工况1条件下各监测点处二次衬砌和仰拱第一主应力除左拱肩外均小于其他工况，工况3条件下各监测点第一主应力除右边墙外均大于其他工况，其中拱顶处相差最明显。由此可见，不同时期的围岩遇水软化导致最终二次衬砌的第一主应力不同，总体来看，围岩的软化会导致二次衬砌的第一主应力增大。

  

图12 不同工况测点二次衬砌及仰拱第三主应力曲线

由图12可见，工况1和工况2条件下各监测点处二次衬砌及仰拱的第三主应力基本相同，而工况3、工况4条件下各监测点二次衬砌及仰拱的第三主应力依次增大，其原因是前2种工况围岩变形基本完成后再施作二次衬砌，最终稳定后二次衬砌最终受到围岩的作用力较小，而后2种工况下围岩变形未完成或后期软化后围岩抵抗变形能力变差，导致二次衬砌及仰拱受到围岩的作用力增大，故各监测点处二次衬砌及仰拱的第三主应力增大。由此可见，围岩遇水软化对二次衬砌及仰拱的最终第三主应力影响明显。

3 结论

1) 从变形方面来看，无论是在开挖阶段还是后期运营阶段，隧道围岩遇水软化后对隧道的影响均非常明显。在开挖阶段隧道围岩遇水软化后，隧道变形加剧，最终变形量远大于软化前的变形量。从计算结果来看，隧道的变形量大部分发生在隧道的下台阶开挖以前，下台阶开挖以后隧道变形量相对较小。因此在围岩遇水软化的条件下进行隧道的开挖时，下台阶须紧跟上台阶开挖，快速将隧道封闭成环，这样可减小隧道变形量。工况1、工况2、工况3开挖时下台阶分左、右部分开挖，仰拱也分左、右部分施作，但工况4是下台阶一步开挖完成，仰拱一次施作，从隧道变形方面来看，后种开挖方案使得隧道最终变形更能呈现对称分布。前2种工况下二次衬砌及仰拱的变形量很小，而后2种工况下二次衬砌及仰拱的变形相应增大。

2) 从初期支护受力来看，隧道围岩遇水软化后，喷射混凝土层、锚杆的受力均明显增大。初期支护的受力在下台阶开挖以前增大明显，下台阶开挖以后受力增大相对较小。锚杆最大受力部位出现在横向变形最大的部位，围岩遇水软化后，锚杆在达到屈服强度前就已经和围岩产生滑移。因此，在这种条件下进行隧道设计时，须折减锚杆的作用效果。隧道下台阶处的锚杆，在围岩没有遇水软化时，锚杆的受力相对很小，尤其是最后施作的右侧下台阶处的锚杆，且在围岩遇水软化后其受力也是如此，因此，在设计时可考虑减弱该部位锚杆的力学效应。

3) 从二次衬砌及仰拱受力方面来看，工况3和工况4下二次衬砌及仰拱的受力均明显大于工况1和工况2下。工况2下围岩也遇水软化，但在施作二次衬砌前其变形基本完成，二次衬砌后期受到围岩的作用力减小，因此这种工况下二次衬砌及仰拱的最终受力均小于工况3和工况4。在工况4时，下台阶一次开挖，仰拱一次施作，从最终仰拱的受力工况来看，这种工况下仰拱的受力成对称分布，其他3种工况仰拱均为左、右分步开挖，仰拱的最终受力不成对称分布。因此，从隧道的变形、初期支护的受力、二次衬砌及仰拱的受力工况来看，在围岩软化的工况下进行隧道的开挖时，下台阶一次性开挖、仰拱一次性施作对隧道的安全性和稳定性方面均有提高。

由上可知，米拉山隧道凝灰岩遇水软化后对隧道围岩和支护的变形影响非常明显。因此，必须采取以防水为重点的工程措施，防止凝灰岩软化，增加围岩强度、减小围岩塑性变形区范围和控制隧道位移，具体措施有：防止围岩与地下水接触，减小米拉山隧道围岩软化程度；开挖后及时进行围岩注浆与喷浆加固，形成封闭带，减少围岩遇潮湿的空气和水后吸水机会；适当增设和加强米拉山隧道排水系统功能；通过施加围岩锚杆提高凝灰岩抗剪和抗拉强度，利用挂网改善围岩应力分布，减小局部应力集中造成的围岩破坏；加强隧道围岩变形监控量测与管理，充分发挥监测数据信息功能，以便在围岩开挖后最佳支护时间内完成隧道合理支护。

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