双连拱隧道的三种施工方法的对比
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摘要：本文以某连拱隧道为工程背景，应用有限元软件对三导洞半断面法、中导洞半断面法和中导洞全断面法这三种不同的施工方法的施工全过程进行模拟计算。得出了同类围岩、相同埋深、采用不同施工方法在围岩应力、地表位移及施工过程地层位移变化规律。其结论可作为双连拱隧道选择工法的参考。
关键词：双连拱隧道、有限元、三种工法
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
随着高速公路进入山区,隧道数量日益增多。但是大量隧道都受制于地形及展线限制[1]。而连拱隧道以其占地少、与线路连接方便等突出优势,在受条件限制时,往往成为首选方案[2] [3]。所以，对双连拱隧道施工方法的研究显得尤为重要。赵玉光,张焕新等对上下台阶法和三导坑法进行了研究对比[1]；佘健，何川对中导洞超前开挖与三导洞开挖进行了比较[2]。朱艳峰，李文英，甄宝山对三导洞法开挖和中导洞半断面法开挖进行了比较[4]。但是他们都没有对三导洞半断面法开挖、中导洞半断面法开挖和中导洞全断面法开挖三大类进行比较。这三类正好是目前国内外经常采用的方法[5]。故，本文将在此重点对比以上三种施工方法对双连拱隧道的影响。
1 工程概况
某隧道位于清镇市距金华镇约2公里的河关村，为双向六车道连拱隧道，隧道起讫桩号为K4+150～K4+430，全长280m，最大埋深约为79m，横向跨度34m，隧道围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级围岩，整体稳定性较差。隧道工程地质情况如图1所示：隧道穿越煤矿采空区、地裂缝、煤矸石堆积体、老窑涌水、大量成层斜向节理面、洞口具有潜在滑坡体等不良地质，施工难度很大。
图1隧道工程地质概况
2 有限元模型的建立
由于在不同的围岩级别和不同埋置深度情况下，采用同一施工工法施工对隧道的影响的趋势几乎一致（通过数值模拟可证明）。故，在此选取V级围岩下埋深为1D（D为连拱隧道总跨度，D≌37m）的隧道进行研究。
模型选用Mohr-Coulomb准则作为屈服准则；以理想弹塑性材料为基础的本构模型来做研究，同时通过应变软化曲线参入运算的进程，其变化趋势更能趋近所研究问题的实质；不考虑二次衬砌受力。针对V级围岩地质条件，采用无拉分析，即将围岩材料抗拉强度视为零。这样做，是偏于安全的，也是合理的；以围岩物理力学指标中的较低限值作为本项目围岩计算参数。围岩隧道初期支护参数如表1所示。
表1 计算物理力学指标
首先，根据工程地质概况所述，隧道处于埋深不大的山岭重丘区，受构造影响，岩层破碎，节理裂隙发育，据此推测隧道区构造应力残存较小，因此以围岩的自重应力场为主，可进行原始地应力场模拟。然后，连拱隧道在整体上为扁平结构，扁平率（H/D
因此，研究以围岩自重应力地应力场模拟，最大主应力1方向为垂直方向，其量值由埋深确定，计算式1＝y＝H，最小主应力为水平方向，其量值2＝x＝y=y。
以某高速公路隧道为主要研究对象V级围岩结构横断面如图2。采用有限元软件对连拱隧道进行数值模拟分析。建模严格按照施工图进行。数值模拟边界为水平方向200m、垂直方向从隧道中心向下60米；向上从拱顶到地表（隧道埋深）选取1D；由于隧道埋深不大、受构造应力的影响较小，地应力场按自重应力场考虑；边界条件为：左右边界采用水平约束、下边界采用竖直方向约束、地表为自由面；数值模拟分析采用弹塑性分析。有限元建模概况如图3～图5。
三导洞半断面、中导洞半断面和中导洞全断面三种不同的施工方法的施工步骤分别为：
三导洞半断面施工过程： 三导洞超前开挖；三导洞“喷锚支护”；施作中隔墙以及左、右侧边墙；环形开挖左隧道上半断面；左隧道上半断面初期支护；开挖左隧道下半断面；施作左隧道仰拱衬砌；环形开挖右隧道上半断面；右隧道上半断面初期支护；开挖右隧道下半断面；施作右隧道仰拱衬砌。
中导洞半断面工法施工过程： 中导洞超前开挖；中导洞“喷锚支护”；施作中隔墙；完成左隧道上半断面环形开挖；左隧道上半断面初期支护；左隧道下半断面开挖；修筑左隧道仰拱衬砌完成右隧道上半断面环形开挖右隧道上半断面初期支护；右隧道下半断面开挖；修筑右隧道仰拱衬砌。
中导洞全断面工法施工过程：中导洞超前开挖；中导洞“喷锚支护”；施作中隔墙；完成左隧道全断面开挖；完成左隧道全断面初期支护；完成左隧道整体断面二次衬砌；完成右隧道全断面开挖。
3 施工过程围岩应力变化特征
由于施工全过程围岩竖向应力变化的大小和幅度都比水平应力大，所以对施工过程中围岩应力变化特征的分析以围岩竖向应力为主。
图6~图8为V级围岩1D埋深采用不同施工方法典型施工阶段围岩局部竖向地应力场的分布状况，从图6~图8可以看出：同类围岩在相同埋深下采用不同的施工方法围岩应力场虽然在特殊施工阶段（不同施工方法自身特有的施工阶段）有一定的不同，但在相同施工阶段，除了在局部区域保持了该施工方法特有的应力场分布（如半断面法和全断面法在主洞拱腰处围岩的应力场分布就有一定的差异）外，围岩应力场具有基本相同的分布状况。表2为V级围岩1D埋深条件下采用不同施工方法在
图2 V级围岩隧道衬砌断面图 图3 三导洞半断面施工方法
图4 中导洞半断面施工方法 图5 中导洞全断面施工方法
典型施工阶段的围岩最大竖向应力。由表2可得出V级围岩相同埋深采用不同施工方法在同一典型施工阶段围岩的最大竖向应力的大小有如下规律：三导洞半断面法＞中导洞半断面法＞中导洞全断面法。由此可得，同类围岩相同埋深采用不同施工方法在同一施工阶段围岩的最大应力成规律性地为由大到小的排列。
a) 三导洞半断面施工方法 b) 中导洞半断面施工方法
图6 不同工法完成导洞施工围岩局部竖向地应力场分布/MPa
a) 三导洞半断面施工方法 b) 中导洞半断面施工方法
图7 不同工法完成左洞施工围岩局部竖向地应力场分布/MPa
a) 三导洞半断面施工方法 b) 中导洞半断面施工方法
图8 不同工法完成右洞施工围岩局部竖向地应力场分布/MPa
表2 不同施工方法典型施工阶段围岩局部最大竖向应力
4 施工过程地表位移特征
图9为V级围岩1D埋深采用三种施工方法的最终地表沉降曲线，由图9可以得出：同类围岩相同埋深采用不同的施工方法具有基本相同的最终沉降曲线：在“主沉降区（地表沉降曲线反弯点间距离）”之外各种施工方法的沉降曲线基本重合，在“主沉降区”之内，各沉降曲线的形状基本相同，最终最大地表沉降值的差值不超过3.5%，表3为三类围岩1D埋深采用不同施工方法地表最终最大沉降值，由表3可得出V级围岩采用不同施工方法的最大地表沉降值有如下关系：三导洞半断面法＜中导洞半断面法＝中导洞全断面法。
表3 不同施工方法地表最终最大沉降值
图9 各种施工方法最终地表沉降
5 施工过程地层位移特征
表4为两类围岩1D埋深采用不同施工方法典型施工阶段地层最大竖向位移。由表4可以得出：除了各施工方法特有的某个施工阶段（主要指导洞施工阶段）的竖向沉降（隆起）相差较大外，典型施工阶段不同施工方法的最大地层沉降（或隆起）十分接近，且他们之间的差值在3.5%以内。
表4 不同施工方法典型施工阶段地层最大竖向位移
6 结论
本文通过对某高速公路双连拱隧道的三种施工方法进行有限元分析计算，并将三种工法对隧道的影响做了对比。得出结论如下：
(1) 同类围岩相同埋深采用不同施工方法在同一施工阶段围岩的最大应力成规律性地为由大到小的排列。其中，V级围岩相同埋深采用不同施工方法在同一典型施工阶段围岩的最大竖向应力的大小有如下规律：三导洞半断面法＞中导洞半断面法＞中导洞全断面法。
(2) 同类围岩相同埋深采用不同的施工方法具有基本相同的最终沉降曲线。其中，V级围岩采用不同施工方法的最大地表沉降值有如下关系：V级围岩，三导洞半断面法＜中导洞半断面法＝中导洞全断面法。
(3) 典型施工阶段不同施工方法的最大地层沉降（或隆起）十分接近，且他们之间的差值在3.5%以内。
参考文献:
[1]赵玉光,张焕新,林志远. 双连拱隧道施工力学数值模拟与施工方法比选[ J].广西交通科技,2003,28(4):25-30.
[2]佘健,何川. 连拱隧道施工全过程有限元模拟[J].现代隧道技术,2004,41(6):5-10.
[3]西南交通大学.《连拱公路隧道综合修建技术》研究报告[R].2003-09.
[4]朱艳峰,李文英,甄宝山. 大跨度双连拱隧道穿越破碎山体施工方法数值模拟研究[ J]. 铁道建筑,2009,(9):59-62.
[5]中华人民共和国交通部.JTJ042-94公路隧道施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,1994.