探讨某公路项目双连拱隧道施工方案的可行性

殷承志

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

受穿越山体地质、地形条件约束，一些隧道采用连拱隧道结构，与单拱隧道相比，该类隧道掘进时的变形分析、预测、控制更为复杂。在连拱隧道施工阶段，根据现场工况，采用更加适宜的施工方案，成为隧道施工最为重要的技术管理环节[1]。该文基于项目现场的实际情况，采用数值模拟与有限元分析软件，进行理论计算，得到了不同施工阶段的变形云图，并绘制了相应的变形曲线，对其进行了理论探讨，以论证所采用的技术方案的可行性[2]。

1 工程概况

某高速公路大跨径、连拱结构形式隧道，其单拱跨度达12.7 m、高度9.81 m，两单拱之间的中隔墙最小厚度为1.1 m，隧道全长801.28 m；隧道导洞拱顶为钢筋混凝土结构，结层为C35 模筑钢筋混凝土、防水层、C25早强混凝土、120b 钢架及双层钢筋网。

2 隧道开挖方案

隧道大断面开挖采用“中洞+CRD”施工方式掘进，因隧道开挖顺序的差异，对隧道施工变形及开挖效果有很大影响。施工方案设计决定采用“中洞+CRD 法”施工，该掘进方案，根据开挖导洞流程（见图1）顺序的不同，细分为施工技术方案（01）和施工技术方案（02）：

图1 某双连拱隧道开挖导洞流程编号示意图

2.1 施工技术方案（01）

开挖中洞→左线外侧导洞③、④、⑤→中洞曲中墙→开挖左线内侧导洞⑥、⑦、⑧→左仰拱→左拱墙、拱顶。

左主洞二衬工程完工后，再进行右主洞开挖，其开挖次序与左主洞相似，最后进行右线二衬砌施工。

2.2 施工技术方案（02）

综上，双连拱隧道开挖施工技术方案（01）、施工技术方案（02）的最大区别在于：方案（01）为非对称开挖技术，而方案（02）为对称施工方案。

3 有限元模型建立

利用ABAQUS 软件对双连拱隧道进行了二维有限元建模，并对两种施工方案进行了仿真分析[3]。在建立模型时，根据隧道的地质情况、确定隧道围岩为Ⅴ级、相应的地层物理指标见表1。按照Hardening-Soil 模型的要求，需要引用E50、Eoed、Eur3个模量参数，应由土的刚度和应力的关系决定，采用公式（1）～（3）表示：

表1 围岩地层物理力学参数汇总表

图2 标准排水三轴试验主加载下双曲型应力—应变关系

4 两种施工技术方案的变形

运用数值建模、有限元法理论，分析大跨径双连拱隧道变形[4]。

4.1 围岩与拱顶沉降分析

施工技术方案（01）：采用数值模拟与有限元分析软件，进行理论计算，得到了不同施工阶段的拱顶沉降云图，并绘制了相应的变形曲线，如图3 所示。从图3可以看出，拱顶的最大沉降是179.00 mm。

图3 施工技术方案（01）导洞沉降变化

施工技术方案（02）：采用数值模拟与有限元分析软件，进行理论计算，得到了不同施工阶段的拱顶沉降云图，并绘制了相应的变形曲线，如图4 所示。从图4可以看出，拱顶的最大沉降值为176.00 mm。

图4 施工技术方案（02）导洞沉降变化

施工技术方案（01）：左主洞开挖、二衬砌完工→右主洞开挖、二衬砌施工，依据拱顶沉降云图及历程沉降曲线的分析，可知：1）后开挖右洞拱顶出现了最大沉降量；2）在完成左主洞二衬工程后，右主洞的开挖对左主洞的沉降影响明显减小；3）右主洞的沉降最终大于左侧主洞，并表现为非对称。

施工技术方案（02）：左、右主洞开挖、二衬砌基本对称施作，虽同步开挖存在交互影响，但通过对拱顶下沉云图和历程沉降曲线的变化分析，得出：1）沉降量最大位置均为左、右主洞拱顶；2）左、右主洞开挖，沉降变化曲线具有高度一致性，表明两主洞沉降变形呈对称分布，且不存在由一边向另一边运动的倾向。因此，从计算结果来看，方案（02）比方案（01）更优。

4.2 连拱隧道中隔墙掘进时水平位移

图5 双连拱隧道中隔墙水平位移变形

从图5 可知，方案（01）中隔墙受不平衡应力的不利作用，水平位移变形持续呈增加趋势，最大位移为4.4 mm；在采用方案（02）的情况下，中隔墙因两边的受力均匀，基本上没有产生位移变形。依据中间隔墙位移变形分析，方案（02）更优于方案（01）。

4.3 双连拱隧道中导洞初衬水平变形

在双连拱隧道施工阶段，中导洞的水平变形是一项重要的检测指标。利用有限元数值模拟方法，对不同施工方案下的中导洞初衬变形数据进行分析[5-6]，见图6、图7。

施工方案（01），模拟左主洞③导洞开挖完毕后，左中洞发生向左变形，右侧主洞导洞开挖后，中洞水平变形。通过对图6 的分析，发现：1）在左线主洞导洞开挖过程中，出现了连续的变形；2）中导洞左、右侧壁水平变形不对称，导致中导洞出现偏压。

图6 方案（01）中导洞初衬水平变形

从图7 可以看出，在采用方案（02）的情况下，中导洞的左右两侧壁水平变形是对称的，表明中导洞的应力分布是均匀状态。所以，采用施工方案（02）进行隧道掘进，其方案更优。

图7 方案（02）中导洞初衬水平变形

4.4 施工技术方案对比分析

综上，该公路隧道工程模拟采用两种不同施工流程的技术方案，其拱顶沉降、中隔墙及中导洞初衬砌水平位移变形分析及计算结论见表2。

表2 2 种方案对比表

通过对拱顶沉降、中隔墙及中导洞初衬砌水平位移变形分析可知：1）施工技术方案（01）和施工技术方案（02）拱顶沉降量最大值几乎一致，而方案（01）的右拱顶沉降比左拱大，表现为非对称；2）在方案（01）中，由于不均衡力的影响，中隔墙的水平位移持续增加，最大位移为4.4 mm；3）在实施方案（02）的情况下，中隔墙因两边的受力均匀，基本上没有产生位移；4）在方案（01）中，导洞左右两侧壁水平变形具有非对称性，而在方案（02）中，左右壁水平形变对称。从技术角度来看，采用施工方案（02），左、右拱变形对称、均衡、稳定性好，与方案（01）相比更优。

5 结论

通过ABAQUS 软件建立了该双连拱隧道的二维平面有限元模型，对施工方案（01）和（02）各施工阶段的拱顶沉降、中隔墙及中导洞初衬水平位移进行两种方案仿真分析，论证了两种方案的技术可行性：

（1）从经济效益角度分析：施工方案（02），因主洞可以同时开挖，并可采用设横向通道的方式，多开工作面，实现同步开挖，从而加快了施工进度，这在工期紧、资源配置均衡等方面有明显的优势。

（2）从力学上分析：工程方案（02）采取对称式开挖，使拱体变形均匀，对称，稳定性好。因此“中洞+CRD”的对称式掘进技术，在南方复杂山地、大跨径双连拱隧道的施工中，具有较高的可行性，可为同类工程的设计和施工提供参考。