大跨连拱隧道施工技术及其有限元分析

李老三 赵志纯

摘要 介绍了某六车道大跨连拱隧道新奥法施工过程中的施工工法，并结合应用有限元进行了动态施工力学分析，得出施工中初期支护和二衬的及时施作十分重要，同时中墙的设计施工是关键的控制工程。最后针对连拱隧道设计施工中存在的问题提出了一些有益的借鉴。

关键词 连拱隧道；新奥法；中墙；应力分析；有限元

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

连拱隧道跨度大，空间利用率高，在平面线形及洞口的选择上有较大的优越性，特别是解决了复杂地质条件下的修建隧道的困难。因此，国内外在公路，铁路和地铁等处有了越来越广泛的应用[1]。我国的许多省市都修建了相当规模的连拱隧道，如白云山隧道，万梁金竹林隧道，京珠五龙岭隧道等。由于连拱隧道跨度大，围岩和支护结构受力复杂。连拱隧道在施工过程中围岩的稳定性、初次支护和二次衬砌的受力情况、中隔墙的稳定性，以及不同的开挖方式和不同的结构形式对结构的影响，已经成为现今隧道研究的关注焦点[2-3]。

本文以数值模拟为主，以河南某隧道为例，在考虑洞身浅埋的条件下，采用有限元软件，对连拱隧道出口段施工全过程进行三维数值模拟，得出了围岩位移和应力，以及中墙的受力随施工过程的变化规律。研究结果对同类隧道的设计和施工具有一定参考意义。

2 工程概况及地质条件

某六车道大跨连拱隧道全长340m。V级围岩为全－强风化细砂岩夹泥岩，节理裂隙较发育，多呈微张状，局部泥质充填，呈碎石状松散结构－块石状镶嵌结构。IV级围岩为弱风化细砂岩夹泥岩节理裂隙不发育，多呈微张状－闭合状，节理面平直，岩体呈大块状砌体结构。

3 隧道设计施工方案的确定

隧道进出口明洞均采用明挖，在确保洞口处边仰坡稳定的条件下，然后就地模筑全断面整体式钢筋混凝土衬砌。IV、V级围岩段隧道暗洞采用三导洞先墙后拱法施工。施工工法[4]为：①合理控制三个导洞开挖作业之间的距离，中导洞先行，系隧道开挖的关键；再开挖地质条件较差或受力不利一侧的导洞，导洞滞后中导洞8～10米；再开挖另一侧导洞b，b导洞滞后8～10米，采用台阶法施工。②合理控制左、右主洞开挖作业面之间的距离，主洞开挖先进行导洞a侧主洞，导洞b侧主洞滞后a侧主洞8～10米，V级围岩上台阶分部开挖留核心土，进尺控制同导洞开挖，然后进行初期支护，防排水施工。③控制正洞开挖作业面与二次衬砌作业面之间的距离。④二次衬砌采用混凝土运输车、输送泵和衬砌模板台车的机械化配套施工。⑤坚持“弱爆破、短开挖、强支护、早封闭”的原则。⑥施工过程加强监测，及时处理分析数据，调整支护参数。

4 有限元模型的建立

根据设计施工图纸，隧道最大埋深处按IV级围岩考虑，最大埋深为30m。为保证建模的准确性，在水平方向左右边界取大于5倍跨径的距离，两边施加水平约束。竖直方向向上取至地表，向下取至洞底4倍洞高（约为40m），并施加竖向位移约束，纵向亦取40m。

假设锚杆是线弹性的，隧道围岩和混凝土按均质弹塑性材料，屈服准则采用DP屈服准则。围岩和二次衬砌采用三维实体单元，锚杆采用三维杆单元，初期支护采用空间壳单元。计算模型的边界条件，除上部为垂直荷载外，侧面和底面为法向约束边界。因隧道埋深较浅，故计算时按自重应力场考虑。

隧道开挖采用有限元自身提供的“生死单元”模拟。通过分次“杀死”和“激活”单元来模拟开挖和初期支护及二衬的施作。

5 计算成果分析

5.1 位移分析

（1）隧道位移释放主要发生在隧道中导洞开挖和左、右洞上台阶开挖，其他施工步对位移影响较小。

（2）各控制点位移变化随掌子面的推进呈递增趋势。当右洞开挖进行到所研究断面时，拱顶、拱腰、仰拱位移收敛比分别为35、25、54％；右洞施工完毕时，拱顶、拱腰、仰拱收敛比分别为72、63、99％，控制点位移已基本上处于稳定状态；后继施工，控制点位移变化幅度较小。同时，右洞的开挖对左洞的位移影响不大。

5.2 中墙受力分析

（1）中墙主要受压，且最大压力发生在中墙底部。随着开挖的进行，轴力和弯矩逐渐变大，后趋于稳定。

（2）中墙轴力呈现两端大中间小且控制点的受力始终为压力，这对混凝土施工有利。中墙弯矩呈现下端大上端小，变化为曲线形式，说明中墙有偏压现象的发生，这主要是由于左右洞不是同时开挖造成的。

6 结论与建议

通过对浅埋大跨连拱隧道的施工进行模拟，了解了连拱隧道的施工力学响应行为，可得到以下有益的几点结论与建议：（1）拱顶沉降最大，水平位移以拱腰为大。（2）仰拱和拱脚为应力集中处，应及时的施作。同时，顶部的及时支护和回填也十分重要。（3）中墙底部轴力和弯矩较大，应布设足够的钢筋，并及时回填，以降低其变形，防止产生拉力破坏。

参 考 文 献

[1] JTG D70-2004．公路隧道设计规范[S] ．北京：人民交通出版社，2004

[2] 夏永旭，王文正，胡庆安．.公路双连拱隧道“三导洞法”施工的力学分析[S] ．长安大学学报．2005，25（6）：49－52

[3] 曹云钦，王小林．浅埋偏压连拱隧道中墙优化分析[J] ．岩土工程学报．2006，28（4）：537－540

[4] 佘健，何川．连拱隧道施工全过程有限元模拟[J] ．现代隧道技术．2004，41（6）：5－11