大跨度双连拱公路隧道数值模拟与围岩稳定分析

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1、大跨度双连拱公路隧道数值模拟与围岩稳定分析任少强(中铁二十局集团有限公司，西安710016)[摘要]公路连拱隧道是近二三十年来随着高等级公路建设发展而出现的一种隧道结构形式，具有较好的适用性和优越性，尤其适用于用地受限、山区地形复杂、道路展线困难等情况。然而，连拱隧道相对于分离隧道，施工中必然存在对围岩的多次扰动，施工难度较大。在浅埋、围岩软弱、岩溶等复杂地质条件下，这类隧道在不同施工阶段围岩的稳定性问题备受关注。以沪蓉西高速公路恩施至利川段白果坝隧道为背景，结合现场施工，利用三维弹塑性分析程序MIDAS—GTS对白

2、果坝隧道进行了数值模拟研究，对围岩力学性状变化进行了分析，得到了隧道开挖施工中围岩的应力变化规律，针对薄弱部位提出了具体措施。[关键词]连拱隧道；数值模拟；围岩；应力[中图分类号]U45[文献标识码]A[文章编号]1009—1742(2009)08—0058—06法、中导洞全断面法、单洞法、双洞法、无导洞施工1前言法等。中导洞全断面法、单洞法、双洞法一般适用沪蓉西高速公路恩施至利川段高速公路全长于地质条件较好、围岩级别Ⅲ级以上、隧道跨度较约122km，设计时速80km，全封闭四车道，是我国小的情况¨j。结合该隧道结构

3、形式、跨度等特征和规划的公路主骨架网“五纵七横”中的“一横”。沪地层地质情况，对三导洞先墙后拱法、中导洞台阶蓉西高速公路恩利X10段沿线地形地质十分复杂，法、中导洞CD法、无导洞施工法进行了施工方案对为获得良好的技术经济效果，采用了较多的连拱隧比。最终确定在洞口段进洞采用安全性高的三导道方案。其中白果坝隧道即为一典型双跨连拱公洞先墙后拱法，在中间部位围岩条件较好的地段采路隧道，隧道位于湖北省利J1l市境内，左线长用施工进度较快的中导洞台阶法。另外，为保证施402．396m，右线长40311，设计荷载为公路一I级，工质

4、量和加快施工进度，改变以往中导坑内中隔墙设防烈度7度。隧道穿越地貌单元属构造剥蚀峰丛施工完成后，再施工两侧主洞的常规施工方法，采中低山地貌及剥蚀丘陵地貌区，地面标高在1140～用了中隔墙先行施工，两侧导坑紧跟施工(两侧导1370m之间，区内地形起伏较大，大部分地带植被坑与中隔墙保持距离不少于100m)的新型施工方发育。区域内岩溶特别发育，属典型山岭地区岩溶法。在中部洞身段采取中导洞先行，两侧主洞台阶隧道。隧道主要不良地质现象为岩溶和软弱夹层。法开挖隧道，先施作左线隧道，滞后一定时间再施作右线隧道的施工方法。2施工方案

5、3数值模拟与围岩稳定性分析双连拱隧道常见施工方案包括三导洞先墙后拱法、中导洞台阶法、中导洞CD(centerdiaphragm)目前，双连拱隧道的结构设计，往往将其简化[收稿日期]2009—04一o2[作者简介]任少强(1966一)，男，陕西西安市人，教授级高级工程师，中铁二十局集团有限公司总工程师，研究方向为桥梁隧道施工；E—mailrsq—kjb@126．corn58中国工程科学为荷载结构或作为平面问题处理，较难反映支护结导洞开挖100m浇筑中隔墙后开挖左侧主洞，因此构的实际受力状态。为更加真实地反映施工过程取模

6、型纵向长度范围为150m。垂直方向向下取为中结构和围岩的安全稳定性，有必要对施工过程进3倍洞高，即厚度30m。整个计算模型在，Y，z三行动态模拟和空间受力分析。文章结合白果坝连个方向尺寸为140m×150m，Y轴正向为隧道开挖拱隧道的实际地表、地层条件和施工过程，进行了方向，z轴正向向上为正，上部按照隧道所在位置地三维数值模拟，对围岩的稳定性进行分析等，对隧形等高线图按实际地表建模，见图1。计算模型的道施工的安全评估提供了参考依据。边界条件为：底面为竖向约束，四周围岩外边界面3．1支护结构概述为垂直围岩面法向约束，上

7、边界为荷载自由边界，白果坝隧道断面为半径R=5．5m的单心圆拱隧道区模型及隧道支护网格划分详见图2。计算区形式。两隧道总跨度为25．841m，隧道中心线间距域内的单元总数为34675，节点总数为5495。l3．1m，采用复合式衬砌。初期支护为厚27cm的C20喷射混凝土，系统锚杆为D25中空注浆锚杆，长3．5m，岩壁表面挂设8钢筋网，网格间距为20cm×20cm，钢支撑为I20b工字钢，间距为50cm；二次衬砌为50cm厚C25模注钢筋混凝土。初期支护与二次衬砌之间防水层为无纺土工布及1．2mm厚EVA防水板。3．2

8、弹塑性模型假定与屈服准则图1双连拱隧道模型网格划分图在外力作用下，一般认为岩土材料是具有弹塑性Fig．1Networkpartitionfigureofdouble的，按照弹塑性理论来研究。文章对隧道开挖施工进multiplearchtunnelmodel行模拟，所涉及到围岩和作为支护结构的混凝土材料，均表现为弹塑性陛质，考虑到缺乏试验资料，并