连拱隧道全断面法开挖施工力学特性研究

刘金鑫

常州新东化工发展有限公司，江苏 ·常州 213000

摘要：连拱隧道是公路隧道中的一种特殊形式，连拱隧道与分离式单洞隧道相比有很多优点。在连拱隧道的施工过程中，先进行先进的数值模拟以此得到连拱隧道围岩在施工过程中的位移和应力变化，并计算得出喷射砼、锚杆和二级衬砌等支护在连拱隧道施工过程中的内力变化，再将这些数据变化与实际监测的数据结果相对比，并以此为依据对施工工艺和施工方法进行合理、经济的优化就变成了一项拥有巨大价值的现实意义的工作。

ABSTRACT: Multi-arch tunnel is a special form of highway tunnel. Compared with separate single-tunnel tunnel, multi-arch tunnel has many advantages. Advanced numerical simulation is carried out for the construction process of multi-arch tunnel in order to obtain the displacement and stress changes of surrounding rock in the construction process of multi-arch tunnel, and the shotcrete, anchor rod and secondary level are calculated. It is of great practical significance to optimize the construction technology and methods reasonably and economically by comparing the internal force changes of lining and other support during the construction of multi-arch tunnel with the actual monitoring data.

关键词：连拱隧道; 力学; 全断面法

Keywords: multi-arch tunnel; mechanics; full section method

1 引言

连拱隧道与分离式单洞隧道相比有很多优点，主要有：避免了洞口分幅路基，减少了占地，与洞外线路连接方便；在伴山或垭口地形利于洞口位置的选择，并可以减少隧道的长度；避免了隧道洞口特大桥分幅，特别是跨河大桥；可以保持线路流畅，且断面造型美观；减少了征地和拆迁，降低了工程费用 。高速公路隧道设计越来越多采用了连拱结构形式。

2 连拱隧道的计算理论和计算模型建立

本次计算分析主要依据温州绕城高速公路北线陈家桥大跨度低扁平连拱隧道，所得结论主要适用于该类型隧道。陈家桥隧道是温州绕城高速公路北线上的一座双向六车道连拱隧道，隧道全长282m，隧道最大开挖高度10.8m，最大开挖跨度35.2m。隧道所处地形起伏较大，为丘陵地带，坡度为20°~50°不等，坡面植被茂盛。隧道进出口段为Ⅴ级围岩，两端向里依次为Ⅳ、Ⅲ级围岩。

计算分析理论基础

在岩石力学有关领域的数值分析方法应用中，主要使用的方法为有限单元法(FEM)、边界单元法(BEM)、离散单元法(DEM)、拉格朗日单元法以及块体理论等，或是上述几种方法的耦合分析。在众多的数值分析方法中，有限单元法最早用于隧道结构计算，现已成为求解复杂的隧道工程问题的有力工具，并己越来越多地被工程界所接受。

2.2 连拱隧道计算基本假定

由于岩体赋存的地质环境及材料本身的复杂性，要建立一个能全面、正确的反映各种因素的物理模型并模拟复杂的边界条件是非常困难的，目前难以完全模拟现场的真实地质条件，所以本次计算是基于以下假定：

（1）计算模型取为弹塑性，岩体视为DP材料，混凝土和锚杆视为线弹性材料，不计其非线性；

（2）岩体初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力；

（3）初期支护只考虑锚杆和喷混凝土的支护作用，钢筋网看作是对爆破时松动围岩强度的恢复，钢拱架的作用采用等效方法予以考虑。Ⅴ级围岩段围岩加固圈亦看作开挖时松动围岩强度的恢复而不予考虑。

（4）根据工程类比并参考相关文献，各级围岩段模拟时，各阶段（包括瞬时地应力释放率、初期支护后应力释放率、二次衬砌后应力释放率）围岩应力释放率分别假定为：Ⅲ级分别为65％，25％，10%；Ⅳ级分别为50％，30％，20%；Ⅴ级分别为45％，30％，25%。其中初期支护后和二次衬砌后应力释放是逐步进行的。

大多数地下工程涉及到无限域或半无限域，而有限元法处理这类问题通常是在有限区域内进行离散。为了减少误差，离散区域必须有足够的范围，并尽可能保证区域外的边界条件接近实际情况。理论分析表明，在均质弹性无限域中开挖的圆形隧道，由于荷载释放而引起的洞室周围应力和位移的变化，在5倍洞径范围之外将小于1%，在3倍洞径之外约小于5%。因此，根据工程的具体要求和有限单元法的计算误差，一般选取的计算范围沿洞径各方向均不应小于2.5～3倍洞径。

本计算中，综合考虑研究内容、计算代价等因素，计算范围选取为：III级围岩段取横向宽度120m，上边界取隧顶65m，下边界取至隧底35m，纵向长度取为48m。IV级围岩段取横向宽度100m，上边界取隧顶40m，下边界取至隧底30m，为考虑空间效应取纵向长度为40m。V级围岩段取横向宽度100m，上边界取至地表面，下边界取至隧底30m，纵向长度同IV级围岩段。在计算中，采用6面体单元模拟围岩、二次衬砌及中隔墙，采用板单元模拟喷砼，桁架单元模拟锚杆。

3 连拱隧道的动态施工力学特性分析

3.1 围岩应力

（1） 围岩应力总体描述

全断面法开挖过程中围岩应力变化主要集中在离隧道支护结构较近的部位，包括锚杆作用区、拱脚区、中墙顶部和底部区域。

随着开挖范围的扩大，隧道围岩竖向和纵向压应力都明显增大，其影响范围也变大。围岩竖向应力从中导洞开挖一直到左隧道开挖完成的整个过程中，最大竖向压应力由3.39 MPa增大到7.98 MPa；围岩最大纵向压应力由1.43 MPa增大到3.55 MPa。

（2）锚杆作用区围岩应力

全断面法施工过程围岩拱顶特征点竖向应力和边墙特征点水平应力在施工过程中有基本相同的变化规律，拱腰和拱脚应力变化也类似。

拱顶部分，当开挖面接近目标面2个施工循环（距离8m）时竖向应力增大，明显表现出围岩对已开挖部分的支撑作用，之后连接4个施工循环（距离16m）发生较大的应力释放，右洞拱顶竖向应力下降到0.16MPa，左洞拱顶竖向应力下降到0.43MPa。全断面法拱顶应力变化幅度稍小，而且左右洞拱顶最终应力也有区别，全断面法左洞拱顶应力大于右洞拱顶，主要是由于左洞开挖时对右洞拱顶围岩的再次扰动，使得右洞拱顶围岩应力释放量较左洞拱顶围岩多，因而右洞拱顶围岩应力就比左洞拱顶围岩应力小。。

边墙水平应力在中导洞施工阶段变化较小，基本保持在初始应力水平。在开挖面通过目标面后的4个施工循环（距离16m）应力急剧降低，右洞边墙水平应力由0.69MPa下降到0.35MPa，左洞边墙水平应力由0.78MPa下降到0.38MPa，此阶段应力各减少到初始应力的50％和59％。之后应力缓慢增大并趋于稳定，最终右洞边墙水平应力稳定在0.42MPa，左洞边墙水平应力稳定在0.41MPa。

4 支护结构受力

全断面法的支护结构包括喷射砼、锚杆和二次衬砌。从锚杆受力情况来看，两主洞拱顶以及拱腰锚杆承受较大拉应力，两主洞拱顶与拱腰之间区域锚杆锚固效果明显；两主洞拱脚至边墙间锚杆轴力较小且随施工过程变化很小。

5 结论

以陈家桥连拱隧道为依托，通过对连拱隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩段常用施工方法下施工全过程进行三维数值模拟与分析，得出如下结论：

（1）在整个施工过程中，围岩应力变化主要集中在隧道结构周边，包括围岩加固区及锚杆作用区，中墙顶部和底部区域围岩，在围岩应力分析时应侧重分析这些区域。

（2）中墙在左洞施工结束前基本处于偏心受压状态，设计施工除考虑中墙的强度外，还应考虑中墙的抗倾覆和偏转问题。建议从两方面考虑：一方面是应对中墙底部岩土体进行承载力试验，对承载力不足的岩土体进行加固处理，这样才能保证中墙基础的稳固。同时，施工时应保证中墙墙体本身的质量，保证其强度和刚度达到设计要求。另一方面，在施工时，应尽量减少对中墙周边岩土体的扰动，同时，加强对中墙应力及变形的观测，了解其受力变形规律及可能的发展趋势，以便作出合理的决策。在整个施工过程中，中墙顶部围岩受到多次较大绕动，其应力大小和波动程度明显比两侧主洞围岩大，因此，设计施工中应考虑左右洞开挖间距对中墙及顶部围岩的影响。

（3）初期支护（喷砼和锚杆）一旦施作马上发挥作用，在整个施工过程中应力有不同程度的增长。从各级围岩段情况分析，初期支护大部分区域承受压应力，拱顶区域承受拉应力。边角等尖端处有明显应力集中，承受着较大的应力。锚杆受力较大区域均集中在两主洞拱腰和拱顶间，此区域锚杆锚固作用明显；边墙和拱脚间锚杆受力较小，局部锚杆在施工中经历由受拉转为受压的过程，锚固效果不明显。锚杆受力随围岩级别的提高而增大。

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