连拱隧道两导洞工法施工力学特性分析与应用

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1、连拱隧道两导洞工法施工力学特性分析与应用     摘 要 对渝怀铁路金洞隧道出口连拱隧道段采用两导洞工法开挖施工，着重介绍了经过理论计算分析的隧道洞周位移、支护内力及安全系数变化情况，判断分析施工方案是否可行，确定出影响工程地质体稳定的关键部位。在施工过程中，采取相应必要的加固措施，减少施工盲目性，确保工程施工的安全稳定，取得了良好的工程效果。   关键词 隧道工程连拱隧道两导洞工法力学特性应用工程效果    分类号 U455   文献标识码A   文章编号 1000-6915(2004)增2-5153-05     1 工程概况及施工工法的比诜

2、   1.1工程概况   渝怀铁路金洞隧道，全长9108m。出口153m采用燕尾式隧道设计，由大跨隧道、连拱隧道、小间距分离隧道3部分组成。连拱隧道段长42.2m，中隔墙厚度1.0～2.89m。1.2连拱隧道3导洞工法   3导洞工法施工工序为中导洞开挖、支护、中隔墙混凝土施工；左导洞上半断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工；右导洞上半断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工。左、右导洞距离前后错开30～50m。施工步骤见图1。   1.3两导洞工法施工   两导洞工法施工工序为：左导洞上半

3、断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工：右导洞上半断面开挖、支护，下半断面开挖、支护，仰拱及填充、2次混凝土衬砌施工。左、右导洞距离前后错开30～50m。施工步骤见图2。   1.4连拱隧道施工工法的比选   3导洞工法是连拱隧道普遍采用的施工工法，该工法的缺点：中导洞开挖、支护、中隔墙混凝土完成，再进行左右两导洞的施工，平行交叉作业时间相对较少，施工工期长，对长大隧道的总工期影响较大。在确保工程地质体稳定的前提条件下，有效克服3导洞工法施工弱点是解决问题的关键。通过方案比较，采用两导洞工法施工。 图1 连拱隧道3导洞

4、工法施工步骤 图2 连拱隧道两导洞工法施工步骤图    2 两导洞工法施工力学特性分析   2.1力学特性分析的目的和内容   通过理论计算分析结果，确定出影响岩土体稳定的关键部位，并在施工过程中采取必要的加固措施对其进行加固。主要内容为分析连拱隧道两导洞工法施工导致隧道洞周位移、支护内力及安全系数变化情况。   2.2力学特性计算分析结果   2.2.1计算条件   (1)计算断面选择。连拱隧道选在中隔墙较薄处，该断面位置埋深约100m。   (2)计算参数。围岩力学指标，根据《铁路隧道设计规范》(TBl0003—2001，J117-2001)

5、进行选取，支护参数依据设计图，具体参数详见表1，2。表1 隧道围岩力学指标 表2 支护参数    (3)计算条件。横向计算范围左、右各取3倍洞跨，竖向上、下各取3倍洞高。   计算中，围岩及2次衬砌采用二维实体单元模拟，隧道初期支护采用梁单元模拟，锚杆采用杆单元模拟，并采用Drucker-Prager屈服准则。   2.2.2连拱隧道两导洞工法施工计算结果   连拱隧道两导洞上法施工，计算模型网格划分见图3。其初期支护及锚杆有限元模型图见图4。 图3 连拱隧道两导洞工法施工计算模型网格图 图4 连拱隧道初期支护及锚杆有限元模型图  具体计算结果如

6、下： (1)洞周位移 理论计算分析表明：拱顶最大位移2.5cm，发生在第5步施工；拱腰位移1.5cm，边墙位移2.2cm。   (2)初期支护内力   各施工步初期支护最大内力见表3。从表3的计算结果可以看出：初期支护最大轴力为-1686.4kN(压力)，位于中隔墙上部偏下部位；最大拉力为434kN，位于仰拱中部，对于C20喷射混凝土，该拉力将大于其极限拉力值。初期支护设计有钢支撑。因此，该初期支护能够基本维持隧道施工安全。   (3)锚杆轴力   经计算锚杆承受的最大拉力为19.77kN，因此，锚杆受力是安全的。   (4)2次衬砌内力连拱隧道

7、两导洞工法施工二次衬砌弯矩图见图5。二次衬砌轴力(左、右洞相同)、剪力(左、右洞相同)图见图6。 图5 二次衬砌弯矩图 图6 二次衬砌轴力和剪力图    ①最大弯距发生在仰拱与边墙相接处，其值为78.5kN·m；拱顶弯距较小，为17.7kN·m；仰拱弯距为19.9kN·m；其他部位的弯矩均较小。   ②最大轴力发生在边墙与拱部的交界处，其值为652.7kN，最小轴力发生在拱部，其值为88.1kN，拱部与中隔墙相连部位为339kN。   ③最大剪力发生在隧道墙脚处，其值为240kN，次大剪力在隧道中隔墙脚处，其值为80kN，其余位置剪力均比较小。 

8、  ④二次衬砌安全系数：连拱隧道两导洞工法施工，二次衬砌安全系数最小值为3.6，达到了设计规范要求。因此，采用该工法施：[的连拱隧道结构