双连拱隧道不同施工工法的施工安全影响数值分析

增刊施工技术

CONSTＲUCTIONTECHNOLOGY

615

双连拱隧道不同施工工法的施工安全影响数值分析1211

王斐，暮冬冬，叶亦盛，李杨（1.中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北武汉430064；2.中建三局工程技术研究院，湖北武汉430000）

［摘要］为了研究双连拱隧道不同施工工法下的位移和受力特征，确保施工安全顺利进行，依托惠州市四环路南段西坑东隧道双连拱隧道，通过MIDAS有限元软件，建立三导洞法在Ⅴ级围岩中施工，中导洞法在Ⅳ级围岩中施工得到拱顶沉降、洞身位移、锚杆轴力以及中隔墙内力的分析结果。通过对结果进行对比分析，采取相应的的模型，

可以有效的提高双连拱隧道的施工安全和质量。措施加强施工过程中过程管理和监控量测，［关键词］双连拱隧道；三导洞法；中导洞法；数值分析［U455.4中图分类号］

［文献标识码］A

［8498（2019）S1-0615-04文章编号］1002-

NumericalAnalysisonConstructionSafetyImpactofDifferentConstructionMethodsDoubleArchTunnel

WANGFei1，MUDongdong2，YEYisheng1，LIYang1

（1.CCTEBInfrastructureConstructionInvestmentCo.，Ltd.，Wuhan，Hubei

430064，China；2.EngineeringTechnology

430000，China）

ＲesearchInstituteofChinaConstructionThirdEngineeringBureauGroupCo.，Ltd.，Wuhan，Hubei

Abstract：Inordertostudythedisplacementandstresscharacteristicsofthedouble-archtunnelunderdifferentconstruc-toensurethatconstructioniscarriedoutsafetyandsmoothly，Basedonthedouble-archtunnelofXikengEasttionmethods，

TunnelinthesouthsectionofFourthＲingＲoadinHuizhouCity，thethree-cavitytunnelmethodisusedtoconstructintheandthetwo-cavitytunnelmethodisusedtoconstructintheIV-gradeV-gradesurroundingrockbynumericalsimulation，thesurroundingrockestablishedbyMIDASfiniteelementsoftware.Theanalysisresultsofthesettlementofthearchcrown，displacementoftheholebody，theaxialforceoftheanchorboltandtheinternalforceofthemiddlepartitionwall.Bycom-andtakingcorrespondingmeasurestostrengthentheprocessmanagementandmonitoringparingandanalyzingtheresults，

measurementduringtheconstructionprocess，theconstruction’ssafetyandqualityofthedouble-archtunnelcanbeeffec-tivelyimproved.

Keywords：doublearchtunne；threeheadingmethod；middleguideholemethod；numericalanalysis

0

引言

近年来，随着隧道工程技术的发展，越来越多的山岭地区以及城市空间采用双连拱隧道代替分离式隧道。它占用着较少的土地，这对于地形复杂的山区以及土地资源及其缺稀的城市地带无疑是较适合的。但是双连拱隧道施工工艺难度较高，无疑是延长了隧道修建的工期。针对不同的围岩级别选择不同的施工方法对于隧道施工的安全以及成本有着重大的意义。本文依托工程为惠州市四环路南段西坑东隧道，采用MIDAS有限元软件进行数值模拟。建立了三导洞法在Ⅴ级围岩中施工，中导洞法在Ⅳ级围岩中施工两个模型。探究三导洞法在Ⅴ级围岩中、中导洞法在Ⅳ级围岩中施工时围岩、初期支护结构的变形和稳定性，以及整个施工过程中中隔墙的受力及形变情况，为本项

*中建三局集团有限公司科研项目（CSCEC3B-2017-9）

［作者简介］王斐，E-mail：973754748@qq.com工程师，［收稿日期］2019-05-21

调整隧道支护参数来保证隧道目隧道加强监控量测、

施工安全起到了重要的作用，并为类似隧道施工提供一定的借鉴。1

工程概况

惠州市四环路南段（仲恺大道-惠南大道）道路工程西坑东隧道采用双连拱曲中墙隧道方式，全长305m。隧道洞身段围岩上部主要为第四纪填土、残坡积土层；中部为全风化粉砂岩、强风化～中风化凝灰质砂岩，岩石风化程度强烈，节理裂隙极为发育，稳定性极差，围岩级别为Ⅴ级；下部为微风化凝灰质砂岩，属坚硬岩，岩体破碎，节理裂隙发育，稳定性差，围岩级别为Ⅲ级。隧道段岩层产状350°∠75°，岩层走向与隧道轴向夹角较小，且岩层产状较陡；节理产状245°～310°∠60°～80°。根据结构面分析，围岩不稳定，在隧道掘进中易掉块、塌方，应采取防护措施，严格控制超挖，隧道纵断面如图1所示。2

施工工法

616施工技术2019增刊

图1

西坑东隧道纵断面

2.1三导洞法

地质条件较差或隧道断面较大时，

双连拱隧道施工可选择三导洞法，本项目V级围岩采用三导洞法施工，即先开挖支护中导洞并施做中隔墙，再分别开挖左右导洞，最后采用正台阶预留核心土法开挖正洞。三导洞法开挖、支护顺序如下：中导洞开挖及支护（1）→

中墙浇筑（2）→左导洞开挖及初期支护（3）→左洞上台阶开挖及初期支护（5）→左洞核心土和下半断面开挖（6）→左洞仰拱和二次衬砌施工（7）→右导洞开挖及初期支护（4）→右洞上台阶开挖及初期支护（8）→右洞核心土和下半断面开挖（9）→右洞仰拱和二次衬砌施工（10）。三导洞法施工工序如图2所示。

图2三导洞法及中导洞法施工工序

2.2中导洞法

在围岩条件稍好于V级围岩时，可采用中导洞

法，本项目对Ⅳ级围岩下施工方法进行优化建议采用中导洞法施工，即先开挖支护中导洞并施做中隔墙，然后采用上下台阶法开挖正洞。中导洞法开挖、支护顺序说明如下：中导洞开挖及支护（1）→中墙浇筑（2）→左侧正洞上台阶开挖及初期支护（3）→左侧正洞下台阶开挖及初期支护（5）→右侧正洞仰拱及二次衬砌施工（6）→右侧正洞上台阶开挖及初期支护（4）→右侧正洞下台阶开挖及初期支护（7）→右侧正洞仰拱及二次衬砌施工（8）。中导洞法施工工序如图2所示。3有限元模拟

3.1

数值模拟基本假定

所有材料均为均质、

连续、各向同性的弹塑性介质，不考虑地下水及渗流问题的影响。岩土计算本构模型选取Mohr-Coulomb弹塑性模型，此模型相比其他屈服准则，简单实用，各种岩土体参数可通过常规试验获取，能准确地反映岩土体的破坏性状。另外，该准则更加偏于安全，对于安全性要求较高的隧道工程来说，采用Mohr-Coulomb屈服准则在现有参数基础上能够满足计算准确性及可靠性要求；初衬只考虑锚杆、钢拱架和喷射混凝土，不考虑管棚、小导管等超前支护措施的作用；根据工程类比经验隧道每步开挖时考虑荷载释放40%，初期支护荷载释放30%。

3.2三导洞法

三导洞法数值模拟计算采用三维弹塑性本构模型

（见图3），利用有限元程序模拟隧道开挖和支护结构施作。模型中围岩和中隔墙采用实体单元，中隔墙赋予线弹性体参数，初衬采用板单元模拟，厚度为25cm，

锚杆采用植入型桁架来模拟，直径为25mm。隧道水平方向沿边界向两侧和底部各扩展2倍隧道开挖宽度；隧道埋深约60m，底部影响区沿基坑底部向下取2倍基坑深度；纵向尺寸根据隧道开挖方法确定，为简化模型体量，隧道开挖每个循环进尺为3m。围岩分为4个土层，分别为上层覆土、强风化岩、中风化岩、微风化岩。在划分网格时根据计算要求，划分的总原则为：隧道周边及中隔墙处网格密度较大，远离隧道的山体网格较稀疏。计算中的所有边界均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面方向为z方向位移固定，左右边界为x、y方向位移铰支。三导洞法开挖数值模拟的整个模型横向宽124m，高137m，纵向长180m，总共划分16万个单元和122万个节点。

图3

三导洞法隧道整体及结构网格模型

3.3中导洞法

中导洞法数值模型模型同三导洞法隧道开挖模型

一致，围岩尺寸宽124m，高137m，纵向长60m。除了纵向长度以及施工方法不同，其他均保持一致。总共划分6万个单元和42万个节点，如图4所示。

图4中导洞法隧道整体及结构网格模型

3.4地层及结构物理力学参数

根据实测地勘资料选取围岩参数，施工材料及支

护参数根据工况选取相应经验值，

如表1所示。表1

地层及结构物理力学参数

名称模型类型重度/弹性模量/（kN·m－3）

MPa泊松比上层覆土莫尔-库伦

2155

0.33强风化岩莫尔-库伦302000.33中风化岩莫尔-库伦

261000.33微风化岩

莫尔-库伦24800.33中隔墙C35混凝土弹性628000.27初衬C25混凝土弹性356000.27锚杆

弹性78.32000.30二衬C30混凝土

弹性

42

700

0.30

2019增刊王斐等：双连拱隧道不同施工工法的施工安全影响数值分析617

4模型计算结果分析4.1

三导洞法模型位移分析

本隧道Ⅴ级围岩采用三导洞法开挖，在中导洞贯

通、中隔墙浇筑后，根据以往施工经验，先开挖较小的隧洞（右洞）对围岩的扰动会更小，更有利于隧道稳定，因此采取先开挖右洞的方法，进行模拟分析。数值模拟结果如下：隧道整体模型总位移云图如图5所示，最大位移发生在拱顶，表现为沉降，最大沉降值为21.24mm。结合图6隧道总位移云图所示，可以发现左洞拱顶沉降大于右洞拱顶沉降。隧道底部发生隆起现象，隆起值最大为12.39mm。在开挖过程中，隧道的水平收敛主要表现在两个隧洞外侧拱腰处和内侧以及中隔墙附近。建议在施工过程中对该区域加强监测，防止拱腰部位的挤出变形；隧洞在围岩开挖时产生的主要变形，随着开挖面不断推进变形逐步积累，影响区域表现为拱顶及以上4倍洞径，隧底及以下1倍洞径；由于上部卸荷、地应力释放，导致拱底产生较大隆起，施工时应注意初期支护尽早闭合，同时加强锁脚锚杆的施工质量。

图5三导洞法整体模型总位移云图（dmax=21.24mm）

图6三导洞法隧道总位移云图（dmax=21.24mm）

4.2中导洞法模型位移分析

在围岩等级较低、条件较差的情况下，偏压连拱隧

道采用中导洞法易产生较大的变形、滑坡等地质灾害，且中隔墙因不均匀下沉导致变形较大，拱部和侧墙易产生较大沉降。但由于IV围岩条件稍好于V级围岩，且局部较坚硬，因此本隧道IV级围岩部分段落采用中导洞法施工。通过模拟分析结果如下：隧道整体模型总位移云图如图7所示，最大位移发生在隧底，表现为隆起，最大隆起值为20.14mm。隧道总位移云图如图8所示，可以发现左洞洞身形变大于右洞洞身形变。拱顶沉降最大值为13.59mm，在Ⅳ级围岩中中导洞法

开挖出现了隧底隆起大于拱顶沉降的现象。在开挖过

程中，隧道的水平收敛主要表现在两个隧洞外侧拱腰处和内侧以及中隔墙附近。建议在施工过程中对拱腰的周边收敛量测，加强锁脚锚杆的施工质量；在Ⅳ级围岩中中导洞法开挖隧洞在围岩开挖时产生的主要变形影响区域表现为拱顶及以上2倍洞径，隧底及以下3倍洞径；可见运用中导洞法开挖隧道需要注意隧道的偏移下沉，要保证好仰拱的施做质量。

图7中导洞法整体模型总位移云图（dmax=20.14mm）

图8中导洞法隧道总位移云图（dmax=20.14mm）

4.3三导洞法模型应力分析

Ⅴ级围岩开挖扰动后，需要锚喷支护，其中锚杆起

到不可或缺的作用。通过有限元的模拟获知隧道锚杆的受力分布（见图9）。由隧道初支锚杆轴力云图（见图10）可知，同一位置的锚杆受力是一致的，锚杆轴力正值最大为173.5kN，统一分布于各断面的拱顶位置，可见拱顶锚杆承受较大的拉力，锚杆充分发挥了其悬吊作用、组合梁等功能；锚杆轴力负值最大为167.33kN，统一分布于各断面的两侧拱脚位置，锁脚锚

杆的施工质量及其重要，同时中隔墙部位的锚杆承受着极大的压力。必要时可加粗或者加长来保证隧道支护的稳定。中隔墙承受内力的情况如图10所示：中隔墙底和墙脚处为应力集中区域，切拉应力较大，最大值为10.63MPa，中隔墙施工时应重点关注，防止中隔墙底和墙脚处发生破坏。4.4

中导洞法模型应力分析

Ⅳ级围岩中开挖隧道相对较为安全，中导洞法工法施工足以保证隧道的安全，通过有限元的模拟获知隧道锚杆的受力分布（见图11）。由图11可知，锚杆轴力正值最大为56.9kN，统一分布于各断面的拱顶位置，可见拱顶锚杆承受了较大的拉力，左洞（大洞）锚杆受力更大；锚杆轴力负值最大为92.4kN，可见分布

618施工技术2019增刊

图9

三导洞法隧道初支锚杆轴力云图（Nmax=173.5kN）

图10三导洞法中隔墙最大压应力云图-轴侧视图（Smax=10.63MPa）

在中隔墙部位的锚杆承受着极大的压力。中隔墙施做质量及其重要，是中导洞法施工的关键。中隔墙承受内力的情况如图12所示：中隔墙底和墙脚处为应力集中区域，切拉应力较大，最大值为13.69MPa，中隔墙顶部承受着较大的压应力，施工时严格控制混凝土材料的强度。

图11中导洞法中导洞初支锚杆轴力云图（Nmax=92.4kN）

图12中导洞法中隔墙最大压应力云图-轴侧视图（Smax=13.69MPa）

5结语

三导洞法开挖V级围岩和中导洞法开挖IV级围

岩的位移及应力分析结果异同处如下，可根据分析结果，加强施工过程中的管理，保证隧道施工安全，同时

为类似隧道施工提供一定的参考。

1）采用两种方法开挖时，隧洞最大沉降均位于拱顶处，左洞（大洞）拱顶沉降稍大于右洞（小洞）；不同点在于三导洞法在Ⅴ级围岩中施工时，洞身位移主要表现为拱顶沉降，影响区域以拱顶上部为主；中导洞法在Ⅳ级围岩施工中，洞身位移主要表现为隧道底部隆

起，影响区域为拱顶上部以及隧道底部各2倍洞径。

2）在开挖过程中，隧洞水平收敛最大处位于两个隧洞外侧拱腰处和内侧靠近中隔墙区域，建议在施工过程中对该区域加强监测，同时必须保证锁脚锚杆的质量。

3）三导洞法施工锚杆轴力最大值位于隧洞拱顶处，拱顶锚杆承受了较大的压力；中导洞法施工锚杆轴力最大值位于中隔墙部位，锚杆受力形式表现为压力。中隔墙底和墙角处为应力集中区域，切拉应力较大，同时承受了较大的压力，施工时应重点关注。

4）从技术经济指标来看，中导洞法工期短于三导洞法，且成本较三导洞法低，优于三导洞法。中导洞法安全性比三导洞法略微低一些，围岩条件要求更高，但两种施工方法对于中隔墙的施做质量都应严格要求。

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