双连拱隧道施工过程的三维数值模拟分析

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1、双连拱隧道施工过程的三维数值模拟分析胡庆安夏永旭王文正（长安大学公路学院，西安，710064）摘要：研究双连拱隧道施工过程中开挖面的空间效应、左右洞施工的相互影响以及中墙的变形和稳定性。右洞开挖对左洞围岩位移的影响范围约为开挖面前后3B（B为单洞开挖跨度）。右洞施工时，开挖面后方的中墙产生整体向左的偏转，墙身中部向左侧鼓出，基部右趾向上抬起。中墙侧的回填有效地抑制了中墙的变形，所以施工时中墙侧必须回填密实。为了控制中墙的变形，两开挖面间距应小于2.5～3B。关键词：双连拱隧道施工中墙变形三维分析数值方法0.引言在公路隧道的结构分析中，按平面应变问题所建立的模型，仅适用于已建成的

2、隧道或者远离掌子面的洞身。而对于开挖掌子面附近的结构分析，不得不采用三维空间模型。空间计算模型不但可以较为真实地模拟初期支护，尤其锚杆与拱架格栅的物理力学参数与它们在实际隧道中的位置，而且可以模拟真正的开挖过程，体现施工各工序在空间上的安排，分析在不同施工过程中隧道围岩与支护结构的应力、应变变化规律。本文以西汉高速某连拱隧道为背景进行三维线弹性分析，考察连拱隧道施工过程开挖面的空间效应、左右洞施工的相互影响，以及中墙的变形和稳定性。1.空间计算模型的建立及施工工序的简化计算模型取为各向同性线性弹性；岩体初始应力场不考虑构造应力，仅考虑其自重应力；锚杆和拱架看作对围岩因施工爆破而

3、松弛的补强；一二衬同时施作，不考虑其施作的时间差的影响。计算参数按照文献[1]的规定选取。有限元模型计算范围在水平方向取距隧道中心5倍半跨，下边界取为洞高的3倍，上边界可取隧道的实际埋深，纵深方向取5B（B为单洞开挖跨度），即60m。在模型的底面加固定支座，在平行隧道走向的两侧施加滑动支座，只约束X方向的自由度而释放Y方向上的自由度，垂直于隧道走向的两侧施加Z方向的约束。根据实际施工中“一洞在前，一洞在后”的常用施工方案，计算工序简化如下：第1步，自重应力场计算；第2步，三导洞全线开挖贯通，同时浇筑中墙和边墙二次衬砌；第3步至第11步，开挖右洞剩余岩体，施作衬砌，每次开挖进尺0

4、.5B，共开挖9次，即到4.5B处；第12步至第20步，开挖左洞剩余岩体，施作衬砌，每次开挖进尺0.5B，共开挖9次，与右洞齐平；在第3步开始右洞开挖时，先对中墙顶进行了回填，同时为了考察中墙在施工中的偏转状况，对中墙左侧进行回填与不回填两种分析。2计算结果与分析2.1连拱隧道开挖面空间效应“三导洞法”开挖连拱隧道时，导洞开挖引起的群洞效应以及中隔墙的支撑作用，使得开挖面在纵断面和横断面上的约束作用与一般单洞有所不同。在距初始开挖面2.5B处，右洞拱顶位置选取特征点A。图1是右洞开挖时，A点沉降随开挖面推进的变化曲线。可以看出，三导洞开挖时A点已产生一部分的先期沉1-3-2-1

5、0123-1-1.5-2-2.5A点沉降值（mm）开挖面距A点距离（B）图1A点沉降随开挖面推进变化曲线降；在开挖面距A点1.5B时，A点沉降开始加速，表明此时右洞开挖引起的卸载已经开始；当开挖面到达A点时，A点垂直位移释放系数约为65％（计入导洞开挖时产生的先期沉降）；当开挖面经过A点后1B的范围内，其沉降增大加剧，位移释放系数达到98.7％。若不计及导洞产生的先期沉降，仅考察右洞开挖面的影响，则开挖面自距A点1.5B处推进到A点时产生的位移释放系数为36.6％；开挖面经过A点1B后位移释放系数为97.7％。由此可见，受开挖面影响较大的围岩区域为开挖面前方1.5B（未开挖）和

6、后方1B，对于本章建立的模型就是前方18m和后方12m。2.2左右洞施工的相互影响双连拱隧道施工中后进坑道由于先进坑道造成的凌空面而产生较大变形；先进坑道由于后进坑道施工而再次卸载，从而增大作用在支护上的荷载。选择距初始开挖面0.5B、2.5B和4.5B处，左洞拱顶位置的B、C、D三点。由于受模型长度的限制，特选取B、D两点来分别考察右洞开挖面通过前和通过后左洞沉降变化规律。图2表示的是左洞B、D点随右洞开-5-4-3-2-1012345-1.1挖面推进的变形曲线。右洞在开挖的过程中，其-1.2开挖面的空间效应不仅影响到右洞开挖面前后-1.3围岩位移，而且影响到左洞的围岩变形。

7、其对左沉降值（mm）-1.4洞围岩位移的影响范围约为开挖面前后3B。图开挖面距特征点距离（B）3、图4表示的是左洞开挖时，右洞A点的主应D点沉降B点沉降力随开挖面推进的变化曲线。图2右洞开挖对左洞沉降的影响-3-2-10123-3-2-10123-1.48-1.5-1.52-0.19（MPa）1（MPa）-1.543σσ-1.56-0.23-1.58开挖面距C点的距离（B）开挖面距B点的距离（B）图3左洞开挖对A点σ1的影响图4左洞开挖对A点σ3的影响可以看到开挖面推进到距A点1B时，A点的