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摘要：在隧道施工中，荷载的释放过程一直都是隧道施工力学研究的重点和热点，很多专家学者通过现场检测或数值分析等手段对这一问题进行过深入的研究，但往往只是针对隧道洞壁的一点进行展开，而没有对隧道断面的整体荷载释放状态进行全面的研究。本文通过数值分析以及模型实验对超大断面铁路隧道施工过程中的断面整体荷载释放过程进行了全面的研究。首先，研究了隧道洞壁不同特征点的荷载变化规律，然后对隧道开挖过程中荷载释放规律进行了分析和总结。
关键词：铁路隧道；荷载释放；施工过程；荷载释放差异系数
近年来，我国的交通基础设施建设获得了跨越式的发展，大量的高速铁路工程和大型公路正快速修建，一些地质条件复杂、自然环境恶劣的地区也建设了较大规模的交通基础设施。随着山区基建工程的增多，很多隧道工程也开始不断涌现。在铁路工程建设中，隧道开挖的断面往往很大，而且主要采取单洞双线的设计形式，这就给工程施工带来了一定的风险和难度。在隧道开挖的过程中，会使附近的围岩发生松弛，同时还会产生一定的荷载作用于隧道结构上。开挖断面越大，扰动范围和隧道结构所承受的荷载也就越大。一般来说，开挖结束且隧道结构及围岩稳定下来之后，荷载的释放过程也随之结束。荷载释放的过程会受到支护时机、断面开挖方式等多种因素的影响。如果在释放荷载的过程中比较平缓突变也较少，那么隧道围岩的损伤也会最小，也有利于隧道结构的稳定。本文对开挖过程中隧道断面的整体荷载释放状态进行了分析，为施工过程中如何更好的保持围岩的稳定性提供参考。
一、工程背景
本次研究以向莆铁路西城隧道为工程背景。该铁路隧道位于我东南部山区，全长2505m，最大埋深为225m，采取单洞双线的设计形式，设计时速为200km，同时预留了进一步提速条件。本隧道拥有2个工作面，是该铁路的控制性工程。
一般来说，铁路客运专线的设计时速都比较高，采用双线单洞的设计形式可以缓解行车过程中的隧道空气动力学问题。该隧道的开挖断面面积为140㎡左右，施作衬砌之后的净空也在90㎡左右，属于超大断面的铁路隧道。由于净空面积以及开挖面积的增大，导致隧道结构在施工过程中承受的围岩荷载也随之增加。因此，研究超大断面隧道施工中的荷载释放过程具有重要的现实意义。
二、建立计算模型
在岩土工程研究之中，数值计算方法是经常采用的手段之一，也是现场监测和试验手段的有益补充。同时，数值计算不受监测点以及测量精度的影响，有助于揭示工程施工过程中荷载变化过程的内在规律。
本次研究的数值模拟手段是有限差分软件FLAC3D，首先确定计算模型的模拟范围：以水平方向为x轴，长度为80m，以纵向为z轴，沿着隧道轴线方向20m，以竖直方向为y轴，取隧道结构的1/2进行建模计算。此外，在计算中要选取科学的屈服准则，一般选取Mohr-Coulomb准则。同时，还要考虑岩体的大变形及弹塑性变形，在计算的过程中主要提取开挖到计算模型中间时的数据。
三、隧道施工过程中荷载释放的数值分析
目前，隧道施工中应用最为广泛的方法是隧道台阶法开挖，这种方法具有工作平台空间大、施工效率高、便于机械化施工和多平台平行作业等优点，在地质条件发生变化时还能及时灵活的调整施工方法和转换施工工序。本文的研究对象是上下台阶高度一致，长度均为5m的二台阶法开挖的标准工况。分析和研究台阶法施工荷载释放过程主要以拱顶处、边墙处、底板处的相应应力为研究对象。图1为隧道台阶法开挖示意图。
图2为台阶法施工隧道洞壁径向应力变化过程曲线图，其中纵坐标是值开挖到某一时刻隧道洞壁不同位置的径向荷载与初始地应力情况下径向围岩压力的比值。通过对台阶法施工过程中断面不同位置的围岩荷载释放过程的研究，我们发现在开挖过程中，断面相同不同位置的荷载释放过程有着较为明显的差异。首先是拱顶位置开始荷载释放，随着开挖的逐步逼近，拱顶及边墙的围岩由于应力的调整出现荷载集中的现象，位置不同，荷载的集中程度也不同。因此，由于同一断面不同位置的荷载释放过程不一样，这就意味着对断面整体荷载的状态进行综合研究十分必要。
四、断面的整体荷载状态研究
通过以上分析，我们对断面整体的荷载状态进行了研究，首先分析了上台阶和下台阶开挖面位置的断面整体荷载状态。图3表示了台阶法开挖过程中上台阶掌子面位置断面的整体荷载状态，黑色实线便是隧道开挖的轮廓，阴影部分的宽度则表示该点的径向荷载与初始应力状态径向荷载比值的大小，黑色虚线表示比值为1的初始状态曲线。分析图中的曲线可知，荷载在上台阶开挖面上不同位置的释放程度有着很大的差异，这就是说在应力调整的过程中，同一断面不同位置的荷载释放不是同步的。开挖上台阶主要是对隧道上半断面的围岩荷载释放产生影响。而其径向荷载则从拱顶到边墙逐渐增加，以拱顶位置的荷载释放最多，而上台阶开挖地面与洞壁交界的地方荷载集中程度最大，意味着这两个位置围岩向隧道内具有较大的失稳和变形趋势。因此，对此处的围岩要加强支护，防止受径向荷载变化的影响而发生剪切破坏。
图4描述的是开挖过程中下台阶掌子面位置断面的整体荷载状态，由图可以看出，开挖下台阶之后位置不同荷载的释放情况也存在着较大的差异，拱顶位置在开挖之后荷载得以进一步释放，当下台阶开挖到掌子面断面位置的时候已接近于全部释放，但边墙的下半部分还残存有较大的径向荷载，这也说明了开挖过后隧道断面上的径向荷载最大，拱脚位置也最容易出现失稳等现象。因此，在下台阶开挖过后要对隧道的拱脚位置加以支护，缓解或消除此处的径向荷载集中程度。
关键词：铁路隧道；荷载释放；施工过程；荷载释放差异系数
近年来，我国的交通基础设施建设获得了跨越式的发展，大量的高速铁路工程和大型公路正快速修建，一些地质条件复杂、自然环境恶劣的地区也建设了较大规模的交通基础设施。随着山区基建工程的增多，很多隧道工程也开始不断涌现。在铁路工程建设中，隧道开挖的断面往往很大，而且主要采取单洞双线的设计形式，这就给工程施工带来了一定的风险和难度。在隧道开挖的过程中，会使附近的围岩发生松弛，同时还会产生一定的荷载作用于隧道结构上。开挖断面越大，扰动范围和隧道结构所承受的荷载也就越大。一般来说，开挖结束且隧道结构及围岩稳定下来之后，荷载的释放过程也随之结束。荷载释放的过程会受到支护时机、断面开挖方式等多种因素的影响。如果在释放荷载的过程中比较平缓突变也较少，那么隧道围岩的损伤也会最小，也有利于隧道结构的稳定。本文对开挖过程中隧道断面的整体荷载释放状态进行了分析，为施工过程中如何更好的保持围岩的稳定性提供参考。
一、工程背景
本次研究以向莆铁路西城隧道为工程背景。该铁路隧道位于我东南部山区，全长2505m，最大埋深为225m，采取单洞双线的设计形式，设计时速为200km，同时预留了进一步提速条件。本隧道拥有2个工作面，是该铁路的控制性工程。
一般来说，铁路客运专线的设计时速都比较高，采用双线单洞的设计形式可以缓解行车过程中的隧道空气动力学问题。该隧道的开挖断面面积为140㎡左右，施作衬砌之后的净空也在90㎡左右，属于超大断面的铁路隧道。由于净空面积以及开挖面积的增大，导致隧道结构在施工过程中承受的围岩荷载也随之增加。因此，研究超大断面隧道施工中的荷载释放过程具有重要的现实意义。
二、建立计算模型
在岩土工程研究之中，数值计算方法是经常采用的手段之一，也是现场监测和试验手段的有益补充。同时，数值计算不受监测点以及测量精度的影响，有助于揭示工程施工过程中荷载变化过程的内在规律。
本次研究的数值模拟手段是有限差分软件FLAC3D，首先确定计算模型的模拟范围：以水平方向为x轴，长度为80m，以纵向为z轴，沿着隧道轴线方向20m，以竖直方向为y轴，取隧道结构的1/2进行建模计算。此外，在计算中要选取科学的屈服准则，一般选取Mohr-Coulomb准则。同时，还要考虑岩体的大变形及弹塑性变形，在计算的过程中主要提取开挖到计算模型中间时的数据。
三、隧道施工过程中荷载释放的数值分析
目前，隧道施工中应用最为广泛的方法是隧道台阶法开挖，这种方法具有工作平台空间大、施工效率高、便于机械化施工和多平台平行作业等优点，在地质条件发生变化时还能及时灵活的调整施工方法和转换施工工序。本文的研究对象是上下台阶高度一致，长度均为5m的二台阶法开挖的标准工况。分析和研究台阶法施工荷载释放过程主要以拱顶处、边墙处、底板处的相应应力为研究对象。图1为隧道台阶法开挖示意图。
图2为台阶法施工隧道洞壁径向应力变化过程曲线图，其中纵坐标是值开挖到某一时刻隧道洞壁不同位置的径向荷载与初始地应力情况下径向围岩压力的比值。通过对台阶法施工过程中断面不同位置的围岩荷载释放过程的研究，我们发现在开挖过程中，断面相同不同位置的荷载释放过程有着较为明显的差异。首先是拱顶位置开始荷载释放，随着开挖的逐步逼近，拱顶及边墙的围岩由于应力的调整出现荷载集中的现象，位置不同，荷载的集中程度也不同。因此，由于同一断面不同位置的荷载释放过程不一样，这就意味着对断面整体荷载的状态进行综合研究十分必要。
四、断面的整体荷载状态研究
通过以上分析，我们对断面整体的荷载状态进行了研究，首先分析了上台阶和下台阶开挖面位置的断面整体荷载状态。图3表示了台阶法开挖过程中上台阶掌子面位置断面的整体荷载状态，黑色实线便是隧道开挖的轮廓，阴影部分的宽度则表示该点的径向荷载与初始应力状态径向荷载比值的大小，黑色虚线表示比值为1的初始状态曲线。分析图中的曲线可知，荷载在上台阶开挖面上不同位置的释放程度有着很大的差异，这就是说在应力调整的过程中，同一断面不同位置的荷载释放不是同步的。开挖上台阶主要是对隧道上半断面的围岩荷载释放产生影响。而其径向荷载则从拱顶到边墙逐渐增加，以拱顶位置的荷载释放最多，而上台阶开挖地面与洞壁交界的地方荷载集中程度最大，意味着这两个位置围岩向隧道内具有较大的失稳和变形趋势。因此，对此处的围岩要加强支护，防止受径向荷载变化的影响而发生剪切破坏。
图4描述的是开挖过程中下台阶掌子面位置断面的整体荷载状态，由图可以看出，开挖下台阶之后位置不同荷载的释放情况也存在着较大的差异，拱顶位置在开挖之后荷载得以进一步释放，当下台阶开挖到掌子面断面位置的时候已接近于全部释放，但边墙的下半部分还残存有较大的径向荷载，这也说明了开挖过后隧道断面上的径向荷载最大，拱脚位置也最容易出现失稳等现象。因此，在下台阶开挖过后要对隧道的拱脚位置加以支护，缓解或消除此处的径向荷载集中程度。