维普资讯 http://www.cqvip.com 偏压连拱隧道合理开挖方案分析 周玉宏 赵燕明 （重庆后勤工程学院土木工程系 重庆程崇国 ４０００４１） （重庆交通科研设计院重庆４０００６７） 摘 要 本文采用ＡＮＳＹＳＶ５．６１版有限元分析程序对云南元磨高速公路桥头隧道采用的施工 过程进行了二维有限元分析。通过有限元计算，模拟了三种开挖顺序，获得了偏压连拱隧道在采用 不同开挖顺序施工时各阶段围岩的应力、应变状态、地表沉降以及隧道支护结构中的内力变化情 况。通过对比、分析并和现场量测资料相比较，得出一些结论，为云南元磨高速公路连拱隧道采用 的施工方法提供了科学依据与技术指导。 关键词 偏压连拱隧道有限元开挖施工顺序 １ 概述 本文计算所模拟的桥头隧道位 于元江～磨黑高速公路１６合同 Ｋ３４２＋３７５～Ｋ３４２＋６５５之间，全 长２８０ｍ，为带中墙的整体式双跨连 拱结构隧道，隧道单跨净宽 １０．５３ｍ，净高７．２ｍ。单跨采用单心 圆，边墙为曲线，中墙为直线，中墙 厚为２ｍ，隧道净宽为２３．０５ｍ，最大 开挖跨度为２４．６５ｍ。围岩类别为 Ⅲ、Ⅳ类，隧道最大埋深７４ｍ。路线 位于云贵高原西部，横断山脉南延 地区。云南省地貌分区的哀牢山中 图１ 偏压连拱隧道有限元计算模型与网格划分 山亚区，区内属构造侵蚀地形，路线 主要位于高中山地区。隧道上部岩 体是一明显的斜坡，使隧道处在偏压状态中。具体参照图１模型。 隧道施工中采用先中墙，再上下台阶开挖法施工。隧道最大开挖跨度为２４．６５ｍ，无论从设 计角度，还是从施工角度而言，其结构的受力状况都是十分复杂的。而且连拱隧道在国内外的 研究还为数不多，为掌握连拱隧道在开挖过程中引起的地层变形、地表沉降和支护结构的力学 状态，特别是隧道施工顺序对围岩稳定及应力、应变影响，必须对连拱隧道结构的开挖过程进 行有限元计算和分析，以便为该区段连拱隧道的设计和施工提供科学依据和技术指导。 目前施工中所采用的施工顺序有先左洞后右洞开挖，先右洞后左洞开挖以及两洞同时开 挖。对于偏压条件下双洞连拱隧道的开挖顺序，究竟哪种施工顺序更为合理，本文进行了一定 维普资讯 http://www.cqvip.com 的分析 通过计算并结合现场量测资料分折，得出一些可引为规律性的东 ，从ｌ 对指导设 Ｉ 沲工、量测测点埋设位置及对施工巾出现的问题和不合理量测结果的解释提供 沦 助 隧道结构的计算模型 依照初步设计巾所提供的桥头隧道地段地质资料．将该地段围岩类别定为Ⅲ类，并结合初 步设 巾连拱隧道断面的相关尺寸建 了桥头隧道的二维有限元 ｔ‘算模型。在有限元计算中， 边界约束条件对计算结果影响较大。因此，为尽量减少二维有限元模型巾边界约束条件对计算 结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照以下原则进行了确定，即二维有限元计算模型 所取地层的范围是：水平方向上隧道两边的长度均取洞跨的３倍为限，即讣算模型的水平宽度 为开挖隧道跨度的７倍；垂直方向上，隧道下的距离为洞高的３倍，Ｉ砸隧道上方按实际地形尺 寸。计算模型如图１。 ２．１加固措施的简化 在本次有限元计算巾，隧道结构的有限元计算采用隧道与地层共同作用的受力模式，模拟 分析各种施工顺序对地层和隧道结构的受力与变形的影响。在现场隧道开挖过程中，为防止开 挖引起的洞周岩土体的垮塌，通常根据围岩类别采用锚杆、超前小导管注浆和管棚等支护措施 对其进行加固处理，以提高围岩的稳定性。锚杆等加固的有限元模型，目前仍是国内外正在研 究中的课题。根据文献资料以及以往的工作经验，锚杆的主要作用并非其自身强度对整体结构 的贡献。因为在整个系统中，锚杆刚度和周围岩体刚度相比是微不足道的，而锚杆的真正作用 在施工过程中起到及时加固，塑性区的发展，使岩体能保持较好的连续性和整体性，从而 能够很好地起到自承作用。所以，通常的锚杆模拟计算巾采用提高Ｃ、‘｝值的方法。根据大跨隧 道初步设计方案，模拟计算必须考虑锚杆和超前小导管对围岩的加固稳定作用，因此在有限元 计算时．依据国内外研究及现场经验所建议，将围岩参数中的Ｃ、‘｝值提高２０ ～３０ 。本文对 上述加固措施采用了将其所处位置围岩参数中的Ｃ、串值提高２０ 的方法加以模拟。 ２．２计算模型和计算参数 根据隧道围岩的物理力学性质，在本次有限元计算中，采用了弹塑性的非线性有限元法。 在有限元计算中，围岩材料的本构模式采用Ｄｒｕｃｋｅｒ—Ｐｒａｇｅｒ（Ｄ—Ｐ）模型，以计算隧道结构与地 层在开挖过程中发生的非线性变形特性 在对连拱隧道进行开挖过程的有限元模拟分析中，计ｔ 算程序采用了ＡＮＳＹＳＶ５．６１版有限元分析软件。由于该计算软件提供了对有限元计算单元 进行“生（ａｌｉｖｅ）”与“死（ｋｉｌ１）”的处理功能，因此可以利用该功能来模拟隧道施工的分步开挖过 程。在计算过程当中，主体和隧道结构的支护均采用ＡＮＳＹＳ程序中的ＰＬＡＮＥ４２单元加以模 拟。在进行有限无计算时，围岩的物理力学参数依据铁路隧道锚喷构筑法中１１１类围岩的参数确 定，而支护采用混凝土Ｃ２５的参数，物理力学参数具体如表１所示。 表１ 有限元计算的物理力学参数 ｝围岩类别 弹性模量Ｅ（ＧＰａ） 泊松比 容重７（１０Ｎ／ｍ。） 内磨擦角中（。） 内聚力Ｃ（ｋＰａ） Ⅲ类 １．１ Ｏ．３３ ２５００ ３５ １２Ｏ．Ｏ ＩＣ２５ ２８．Ｏ Ｏ．１５ ２５００ 对偏压连拱隧道开挖过程模拟所建 的有限元模型划分有限元网格，总共划分为２０２４个 ＰＩ ＡＮＥ１２单元。讣算时所施加的边界约束条件是：地表为自由边界，未受任何约束；讣算模型 的左右边界分别受到ｘ轴方向的位移约束，模型的地层下部边界受到Ｙ轴方向的位移约束。 ・２・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 开挖过程的模拟计算 对于桥头偏压连拱隧道，为模拟其施工过程，将隧道模型平面划分如图２。 计算分三种开挖顺序分别计算。 ｔ．先左洞，后右洞 迫步骤是：①先开挖中导坑．用 上 改变ｔｉ一墙单元材料属性来模拟；②开 挖左洞上半部，用杀死单元来模拟；③ 对左洞上部初期支护，用激活单元并 左下 ＿一 改变单元材料属性来模拟；④开挖左 洞下半部；⑤对左洞下部初期支护；⑥ 右洞上部开挖，同时做左部仰拱；⑦右 图２偏压连拱隧道模型平面划分 洞上部初期支护，同时做左洞二衬；⑧ 右洞下部开挖；⑨右洞下部初期支护；⑩做右洞仲拱，右洞二衬。 ｂ．先右洞，后左洞 实施步骤是：①先开挖中导坑，用改变中墙单元材料属性来模拟；②开挖右洞上半部，用杀 死单元来模拟；③对右洞上部初期支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟；④开挖右洞 下半部；⑤对右洞下部初期支护；⑥左洞上部开挖，同时做左部仰拱；⑦左洞上部初期支护，同 时做右洞二衬；⑧左洞下部开挖；⑨左洞下部初期支护；⑩做右洞仰拱，左洞二衬。 Ｃ．左右两洞同时开挖 实施步骤是：①先开挖中导坑．用改变巾墙单元材料属性来模拟；②开挖左、右洞上半部， 用杀死单元来模拟；③对左、右洞上部初期支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟；④开 挖左、右洞下半部；⑤对左、右洞下部初期支护；⑥做左、右部仰拱；⑦做左、右洞二衬。 ４计算结果和分析 通过对偏压连拱隧道开挖过程的模拟汁算，三种开挖方法所得的结果是不同的 ａ．对连拱隧道中墙的计算结果分析 在结果比较中发现，中墙与左洞初衬拱脚的交点（５９结点）和与右洞初衬拱脚的交点（９０５ 结点）的应力是最敏感的。表２、表３分别列出了５９结点和９０５结点的应力、位移。 表２ ５９结点的应力、位移 ５９结点 最大Ｘ向应力（ＭＰａ） 最大Ｙ向应力（ＭＰａ） 最大Ｘ向位移（ｒａｍ） 最大Ｙ向位移（ｒａｍ） 先左洞后右制开挖 一４．３６５ 一７．１５９ １．７１ ６．１ ７ 先右洞后左洞开挖 —３．６０１ —６．１８２ １．８２ ６．００ 两洞同时开挖 —１０．４２３ —２Ｏ．９０４ Ｏ．８７ ７．３８ 由以上数据可以得出下列分析： ①两侧同时开挖的应力值明 大于另外两种开挖顺序。 ②在先左洞后右洞开挖和先右洞后左洞开挖中，Ｘ向最大应力为一４．３６５Ｍｐａ，出现在先 左洞后右洞开挖顺序；Ｙ向最大应力为一８．１４８ＭＰａ，出现在先右洞后左洞开挖顺序； Ｘ向 ・３・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 位移是先左洞后右洞开挖顺序小于先右洞后左洞开挖顺序。 ＾Ｎ９Ｙ３ ．６．１ ｓＥＰ ２０ ７００１ ｂ．三种开挖顺序 ０工；ｉ５：２ Ｓ ＮｏＤ＾ｈ ＳｏＬＵｆ１０Ｎ 的结果中隧道拱顶最大 ，ＴＥＰ＝＇ ａＵｅ ｉ ＴｔＨＥｔ， 竖向位移均在左洞拱 ｔＥ￣ （＾ＶＧ＇ ＲｓＹ ０ 顶，其中两侧同时开挖 Ｐｏ ＾ｔ ｒ＾ ｈ１ｃ， Ｅｒ＾ＣＥＴ ｉ 顺序的位移值最大，为 ＾ＶＲＥ３ＩＭ●ｔ ＤＭＸ＝４０．３４Ｓ 々ＨＮ 一｛７．０｛７ １２．４６６ｍｍ；先左洞后 ：Ｉ’ＩＸ；－Ｉ７．ｉ５ 一 右洞开挖顺序的位移值 —一 雹嗣 最小，为１０．７３８ｍｍ，且 豳 —一 誓 左洞竖向位移比右洞 翻 大。初砌Ｙ向位移分布 —一 图如图３。 由ａ、ｂ可以得知， 两侧同时开挖顺序是最 不利的，故下面只比较 另外两种开挖顺序。 图５先左洞后右洞开挖竖向位移 Ｃ．水平位移如图 ４、图Ｓ所示。 ①先左洞后右洞开挖最大水平位移在右洞拱腰，最大位移为５．８８２ｍｍ；先右洞后左洞开 挖最大水平位移在左洞边墙，最大位移为３．４１２ｍｍ。 ②两种开挖顺序所得左、右两洞均表现为向内收敛，如表３所示。 表５ ９０５结点的应力、位移 ９０５结点 先左洞后右洞开挖 先右洞后左洞开挖 两洞同时开挖 最大Ｘ向应力（ＭＰａ） 一３．３８１ ——４．０７９ —１２．４３１ 最大Ｙ向应力（ＭＰａ） ——６．００４ —８．１４８ —２２．９５０ 最大Ｘ向位移（ｍｍ） １．６０ １．９０ ０．８５ 最大Ｙ向位移（ｍｍ） ６．２４ ５．８３ ７．３３ 表４水平位移（ｍｍ） 【 左洞左拱腰 左洞右拱腰 右洞左拱腰 右洞右拱腰 先左洞后右洞开挖 ０．７０９ ——０．５０７ ３．２０９ —１．３１５ ｌ先右洞后左洞开挖 ２．５３２ —２．９３７ ２．２５９ 一Ｏ．５７４ 一～， ． ～ ： 一 《 图４先左洞后右洞开挖水平位移 图５先右洞后左洞开挖水平位移 ・４・ 维普资讯 http://www.cqvip.com ｄ．由应力分布图可以看出，采用先左洞后右洞开挖顺序，最大Ｙ向应力出现在左洞右拱 腰，最大ｘ向应力出现在左洞拱顶；采用先右洞后左洞开挖顺序，最大Ｙ向应力出现在右洞左 拱腰，最大Ｘ向应力出现在右洞拱顶。 ｅ．由塑性应变分布图可以看出，采用先左洞后右洞开挖顺序所得到的塑性区小于其它两 种开挖顺序所得到的塑性区 各开挖顺序所得到的塑性应变如图６、图７、图８所示。 ， Ｉ１ 蓁 ： 一 ， ：＝：：ｉ 嚣 。 ＝ ｊ 一 、 ｌ 一。 — ．。 ｉ ：。＿ ＇Ｍ ： 一 ’ 图６先左洞后右洞开挖塑性应变 图７先右洞后左洞开挖塑性应变 耋 …５现场量测资料分析 Ｔｒ咐‘‘ Ｅ¨ＬＹ㈣’ ＾“，’Ｏ ＿：、～ ：二＿ 、 ＿， 、 ・， ： ’嚣：，， 桥头隧道的ＳＫ３４２＋４０３断面和ＸＫ３４２＋４０２ ｒ六隧１ＥＬ ．ｔ一 ｌ【刖千“ 十 ．。 ～ ＿ ￣ ＸＫ３ 粥１。９５ｔ－ ９ ￣为负值缩小，拱腰最终收敛值为９．５７１ｍｍ，边墙最 ：．ａ 图８两侧同时开挖塑性应变 终收敛值为１．５２１ｍｍ；而右洞ＳＫ３４２＋４０３断面 （图１ｏ）表现为正值扩大，拱腰最终收敛值为 １６．８５３ｍｍ，边墙最终收敛值为０．９６３ｍｍ。 ｛一■砖—粤曝 辫 兰 ｝朋口锚＾ｔ■■ ： 啦 羹匿 ｌ ＿ ｒ立王 麓鞲 ，ｃ ～ ■■ ● 磊 ，｝： — 灌 嘲一１芏■蝌 ｌ １～… Ｐ — 奠 ｉ 篷嚣网翟鞋ｊｉ 。 ● ＿＿ ｌ孝 ‘ ≯ ＝ ｒｒ 睫强 －—‘ ４ 。 ｊｌ ｝‘—’ 一 ” ≯ ～ 。‘ 一 ．， ； ・，￣ 一－— 一 一 一 ｛ ｝ …： Ｌ ｌ 誊 图９ ＸＫ￥４２＋４０２断面周边收敛 图１０ ＳＫ￥４２＋４０５断面周边收敛 ● ｂ．从整个量测断面的数据分析，两个断面的受力均为偏压状态，左大右小。 Ｃ．桥头隧道施工初期，左、右洞均采用上下台阶法施工，左、右洞的掌子面、下台阶以及二 次衬砌均在同一个断面上。在ＳＫ４３２＋４Ｏ３断面在两个洞的下台阶对称开挖时出现量测数据 ・５・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 异常变化，表现为初期支护和中隔墙开裂。后经重庆公路所现场量测建议采用上行线掌子面先 掘进，待其二次衬砌超过下行线掌子面３０ｍ后，下行线掌子面再开挖的方式，取得了良好的效 果。 ６ 结语 从以上结果可以看出，实测结果与有限元计算结果是有一定差别的。通过对计算结果及现 场量测资料的分析，得出以下结论： ａ．通过偏压连拱隧道的有限元计算结果，可知在桥头隧道施工中所采用的先做中墙，再 对左、右隧洞进行上下台阶开挖的施工方法是完全可行的。 ｂ．从有限元计算结果可以得出，隧道变形最明显位置在拱顶、拱腰，与现场周边收敛、拱 顶下沉的埋点一致；而应力测点的埋设应根据开挖顺序，最明显位置出现在拱顶及拱腰，故应 根据开挖顺序对相应拱顶及拱腰进行应力监测。另外，对中墙的应力监测也是必须的。 Ｃ．由计算结果可知，在偏压状态下左右两洞同时开挖，其产生的应力值较其它两种开挖 顺序大得多，故建议不宜采用。开挖先左洞后右洞和先右洞后左洞的开挖顺序对围岩的影响， 以及其产生的位移、应力等结果是各有利弊的，但综合塑性区的范围，可以得出先右洞后左洞 的开挖顺序比先左洞后右洞的开挖顺序更为合理。 ｄ．在实际工程中由于地质条件的复杂性，使得量测结果与计算结果有出入（如现场量测 分析的结论ａ），这就进一步体现了岩土工程问题的不确定性。解决这一问题，就得采用半理论 半经验的方法，并结合现场监控量测，灵活进行设计、施工。 当然偏压连拱隧道作为一种较新的隧道形式，还有很多问题有待研究 本文只是作者的一 些看法，希望能对连拱隧道理论上的发展有所帮助。另外，关于空间效应对连拱隧道的影响，还 有待于进一步的研究。 参考文献 １ 夏才初．地下工程测试理论与监测技术．上海：同济大学出版社．１９９９ ２ 美国ＡＮＳＹＳ 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