两岔口隧道新奥法施工过程模拟原理及ⅲ类围岩施工方法？
1项目概况
两岔口隧道为双向四车道高速公路，净距小，位于吉首市以西4公里处。左孔至桩号ZK2767~ZK3280，长度513m；；右洞至YK2771.6 ~ YK3280桩号长508.4m，隧道总长1021.4m..
2 Basic的基本原则
NATM是一个完整的力学概念(或隧道工程概念)，专门应用岩体的动力学性质。它是建立在科学制定并被实践证明的原则和思想基础上的修建隧道。其特点是在开挖面附近适时施加紧贴围岩的薄层柔性支护和锚杆支护，控制围岩变形和应力释放，从而在围岩和柔性支护变形相同的情况下，调整围岩内部应力分布，实现应力平衡，最大限度地保持围岩固有强度和利用其自承能力。
NATM的基本原则可以概括如下:
2.1隧道开挖宜采用光面爆破，选择合理的断面形状、施工程序和开挖方法，尽量采用大断面开挖，尽量减少对围岩的破坏。
2.2隧道开挖后，充分利用围岩的自承能力，将围岩作为支护结构的基本组成部分，当遇到塑性变形较大的围岩压力时，增设锚杆进行加固，使围岩和支护紧密结合，支护将与围岩共同工作，形成整体承载环。
或承重拱
2.3根据围岩特点，采用不同的支护类型和参数，及时应用柔性喷射混凝土和紧贴围岩的锚杆作为初期支护，控制围岩变形和松弛。
2.4在软弱破碎围岩地段，应尽快封闭隧道断面，及时封闭仰拱，能有效发挥支护体系的作用，保证隧道的稳定性。
2.5二次衬砌在围岩变形和初期支护基本稳定的条件下施工，围岩支护形成一个整体，既能提高支护体系的安全性，又能增加衬砌厚度。
2.6尽量使隧道周围的轮廓圆滑，避免棱角突变处的应力集中。
2.7建立测量系统，监测围岩位移、变形速率和收敛程度，进行必要的反馈分析，正确估计围岩特性及其随时间的变化，及时调整开挖和支护方式，以确定初期支护的有利时机和是否需要采取加固和支护措施。使设计和施工更加符合实际情况，确保施工安全。
2.8在一定条件下，必须采取其他辅助措施，如超前注浆、冻结、疏导涌水等，才能使NATM成功。
3两岔口隧道ⅲ级围岩开挖方法选择
在选择开挖方式时，应考虑以下问题:(1)隧道埋深、岩体状况、是否有断层破碎带、是否有突水、岩石强度等与隧道围岩自稳有关的问题；(2)隧道总长度或工区长度、隧道线形、断面形状和尺寸及其他相关工程尺度；(3)地面设施状况，是否有地面沉降要求，地面沉降允许值及其他相关环境要求；(4)机械设备、工期及其他施工条件。由于短台阶开挖比长台阶开挖更早使支护结构形成封闭段，更有利于控制地表沉降。因此，当岩石条件较差时，采用短台阶开挖比长台阶开挖更有利。根据两岔口隧道工程的实际情况，ⅲ级围岩开挖采用短台阶法，分为上下两段。
4两岔口隧道施工过程模拟原理
隧道施工过程中的位移和应力受施工方式、开挖步距、速度和施工组织的影响。施工过程的模拟应真实反映实际施工过程，同时进行必要的简化。分别模拟了单独的开挖和支护步骤。由于土体应力应变关系的复杂性、本构模型的选取、土体的成层性、土体的各向异性和不均匀性、施工条件的复杂影响、土体应力状态的变化等因素，有限元计算得到的结果只能停留在对土体应力和位移场分布规律的定性分析，而无法量化。因此，对两岔口隧道ⅲ级围岩施工过程进行模拟分析的主要目的是随着开挖对围岩和支护进行描述。
4.1开挖过程模拟
根据多个单元开挖引起的每个节点上的等效节点荷载增量公式
式中:Where挖掘单位总数
-位移应变矩阵，
——原始状态下的初始地应力，
n形函数矩阵，
γ ——岩土介质坐标轴方向的容重分量。
se-挖掘单元的面积。
可以看出，每次挖掘都可以用一个增量荷载来表示。因此，整个开挖过程引起的应力和位移的变化可以很容易地用分步开挖即分步加载来模拟计算，在每一步加载的同时将开挖单元变为空单元。
4.1.2挖掘期间的荷载释放
用有限元法计算开挖面边界各节点的荷载，将开挖释放的等效节点力加到开挖边界上，赋予“开挖”的单元材料一个小值，形成所谓的“空单元”，完成了开挖过程的模拟。值得指出的是，用“空单元”代替开挖单元可能导致刚度矩阵异常。为了解决这个问题，可以使挖掘节点的位移为零，并且可以从总刚度方程中消去对应于这些节点的方程。
采用等效节点荷载法模拟开挖过程，如何施加开挖荷载是问题的关键。挖掘后，挖掘现场的单元没有刚度。为了反映开挖的实际情况，每次开挖后可以重新形成单元划分网格。如果手工处理网格划分，显然是一件极其繁琐的工作。这个问题可以通过编制自适应网格划分程序来解决。
4.1.3浇筑施工过程模拟
隧道开挖和支护的过程是分阶段进行的，相互交替进行，因此在数值分析的过程中也要对这一过程进行模拟。首先，划分洞室内部单元时必须考虑整个施工程序，所有开挖和浇筑部分的边缘必须是单元的边缘，而不是单元内部。浇筑施工过程的模拟相对简单，即在开挖后的一段规定时间内，将浇筑部分对应的“空单元”重新给定衬砌材料的参数，然后进行计算。适当改变开挖和浇筑施工方案，对比围岩应力和变形，确定最佳施工程序是非常有效的。
对于施工过程的模拟，采用二维有限元法计算隧道时，由于隧道开挖是作为平面应变问题处理的，平面应变问题的施工本质是挖通隧道上部台阶，然后进行锚喷支护。此时，上台阶开挖引起的位移已经完成(不考虑岩体流变，下同)，锚杆和喷射混凝土层在下台阶开挖前已无应力和变形。三维有限元法能够真实反映隧道施工过程中上台阶开挖过程中锚杆的应力和变形。对于上台阶的开挖，可视为不同工况，每一步产生的位移可计算为不同的开挖步数。
根据位移的变化，可以得到锚杆的内力。
4.2支架模拟
对锚杆进行了有限元模拟。由于锚杆是钢筋，轴向荷载比较大，但抗弯能力比较弱，所以用锚杆进行有限元模拟的计算误差不会太大。在分析锚杆与岩体的连接时，可根据实际情况假设为铰接，锚杆的轴力作为附加荷载施加在相应位置的节点上(特别是端部锚固的锚杆就是这样处理的)。通过计算两个锚固点之间的相对位移，可以得到锚杆中的拉应力。乘以锚的横截面积，可以得到锚的节点力。对于全长锚固的锚杆，沿锚杆分布的剪应力可以根据其分布规律转化为等效节点力，施加到锚杆所经过的每个节点上。考虑到锚杆与岩体的相互作用，将锚杆的附加刚度加入到整体刚度矩阵中。
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