随着我国交通的发展,隧道工程在开挖施工过程中,会遇到各种各样的地质状况,当然不可避免的会遇到软岩地段。软弱围岩以强度低、结构疏松、易扰动、亲水性强等不同于硬岩的性质,决定了其在隧道开挖过程中的变形与力学性能也与硬岩明显不同。本文先从理论上论述了围岩压力、开挖后的应力分布及围岩变形,分析其产生的原因和具体表现形式及相关的计算公式。以山西某隧道的软岩段为例,用MIDAS/GTS软件模拟其施工开挖过程。采用全断面法和上下台阶法两种方法对软弱围岩隧道的施工阶段进行数值拟,对特征点的位移、主应力,隧道开挖后塑性区的分布和喷射混凝土层的内力进行分析计算,得出的成果如下:(1)隧道采用全断面法施工时,开挖过程对围岩的扰动较少,围岩约束解除的比较快,虽然位移最终值不是太大,但是变化速度比较快,不利于控制围岩的变形。开挖过程中会出现明显的拱顶下沉,仰拱向上鼓起,并且两侧边墙向隧道内侧挤压收缩的趋势。围岩沿x方向向内挤压收缩的最大位移值为1.794mm,为边墙处向内挤压的位移值;沿z轴方向向下沉降沉降的最大位移值为13.029mm,为拱底隆起的位移值。(2)隧道采用全断面法施工时,因为是断面整体一次开挖,且开挖断面呈圆形,结构的承荷能力较强。第一主应力和第三主应力在边墙处较大,在曲率较大的拱脚处会出现应力集中现象。从边墙到拱顶,沿着隧道轮廓线,从边墙到拱顶,从从拱脚到拱底,主应力值逐渐变小。在拱底和拱顶处,会出现应力最小值。第一主应力的最大值为-707.521k Pa,出现在边墙处,最小值为-165.885k Pa,出现在拱底处。第三主应力的最大值为-1852.85k Pa,出现在边墙处,最小值为-514.439k Pa,出现在拱底处。(3)隧道采用全断面法施工时,喷射混凝土层的内力和锚杆轴力都较均匀。因为边墙和拱脚处向内挤压收缩的变形最大,所以在这两个部位,锚杆的轴力也最大。混凝土喷层的轴力在横向收缩大的边墙和拱肩处比较大,拱肩处最小;在上下台阶的分界面,因为是上下台阶分布开挖,会出现应力集中,所以边墙出的剪力最大;弯矩的最大值也出现在边墙处。(4)隧道采用上下台阶法施工时,x轴横向位移比全断面开挖时大,最大位移发生在边墙处,为3.304mm。z轴方向拱顶下沉比全断面开挖时大,最大沉降值为11.107mm,拱底隆起比全断面小,最大隆起值为12.805mm。(5)隧道采用上下台阶法施工,上半部开挖时,上台阶的下端就会很容易应力集中,用于承受外部荷载非常不利,所以要及时、迅速的施作合适的支护结构,同时要对上、下台阶连接处进行加固处理。第一主应力和第三主应力的值都较全断面开挖时小,最大值为-665.456k Pa,第三主应力的值为-1820.9k Pa,均出现在应力集中的边墙处。(6)隧道采用上下台阶法施工,边墙处发生的横向位移比全断面法大,因此混凝土喷层的轴力也比采用全断面法时大,最大值为-1398.92k N,最大剪力值和最大弯矩值均比全断面时大。最大剪力值出现在边墙处,为36.899k N,最大弯矩值为-25.085k N·m,出现在拱肩处。