軟弱圍巖下無中導洞復墻式連拱隧道施工三維數值模擬分析

洪永佳（福州市規劃設計研究院，福州350108）

軟弱圍巖下無中導洞復墻式連拱隧道施工三維數值模擬分析

洪永佳
（福州市規劃設計研究院，福州350108）

應用有限元軟件分析了無中導洞復墻式連拱隧道開挖過程中圍巖位移變形、應力的發展規律；同時對隧道中隔墻的結構應力狀態進行分析，為其他類似隧道的設計與施工提供參考。

無中導洞復墻式連拱隧道數值模擬

連拱隧道由于其適用于不良地形、利于平面展線、洞口占地面積小、拆遷量小等優點，普遍應用于高速公路、市政道路、地鐵暗挖渡線等工程中。連拱隧道形式很多，我國已建成的連拱隧道結構型式有三種：一是整體式連拱隧道，其中隔墻采用整體式結構；二是復合式連拱隧道，其中隔墻為復合式結構；三是無中導洞復墻式連拱隧道[1]，該結構型式在上海市小洋山主干道隧道[2]中得到成功應用，其中隔墻由左右隧道邊墻復合而成。由于整體式和復合式連拱隧道在實施中暴露出了圍巖松動塌方，結構裂縫多、初支變形過大、運營隧道滲漏水嚴重等問題。為了繼續發揮連拱隧道的優點，盡量避免上述不良問題，工程界逐漸對無中導洞復墻式連拱隧道展開研究[3]。

1 工程概況

福州市區某道路穿越一小型山體，因洞口周邊環境限制，采用連拱隧道穿越。根據地質資料，穿山段地質基本為Ⅴ、Ⅳ級圍巖，隧道設計方案采用無中導洞開挖的復墻式連拱隧道結構。隧道開挖跨度達到27.85m，高度為10.48m。其中埋深最深處為24.4m，處于Ⅳ級圍巖段，該位置為結構受力最不利處，因此重點對其進行數值模擬研究。圖1為Ⅳ級圍巖襯砌結構設計圖，初支混凝土采用C25早強混凝土；系統錨桿采用直徑25中空注漿錨桿，長度3.5m，環向間距1.0m，縱向間距0.8m，呈梅花型布置；鋼支撐采用工16b型鋼鋼支撐，縱向間距為0.8m；在左右洞外側邊墻和中隔墻鋼支撐墻腳處每處設置鎖腳錨桿兩根，采用直徑22水泥藥卷錨桿，長度3.5m；二襯為C35防水鋼筋混凝土，中墻采用非對稱設計，先行洞中墻厚1.17m，初支0.28m，后行洞中墻厚0.55m，合計2m。隧道Ⅳ級圍巖襯砌結構設計圖如圖1所示。

圖1 Ⅳ級圍巖襯砌結構設計圖

2 計算模型

計算采用FLAC 3D 5.0版有限元分析軟件，模擬隧道的施工過程，針對大跨度連拱隧道設計施工的關鍵點，分析隧道圍巖和襯砌結構的位移場與應力場的分布及變化。計算模型如圖2所示，各地層圍巖和支護結構的參數取值如表1和表2所示。圍巖材料采用彈塑性本構模型，破壞準則選用Mohr-Coulomb準則。初期支護、中隔壁臨時支護采用殼結構單元模擬，二次襯砌采用帶襯砌參數的單元模擬，錨桿在計算中不作考慮。

圖2 計算模型

表1 圍巖物理力學參數表

表2 支護結構計算參數表

在計算過程中，分別取隧道縱向y=1m、6m、11m三個監控斷面，在每個監控斷面上設置A~I共9個監測點，每個斷面上監測點的分布見圖3所示。

圖3 監測點分布

3 施工過程模擬

設計采用的Ⅳ級圍巖段連拱隧道施工工序[4]如圖4所示：開挖左側隧道右導洞上臺階→施作左側隧道右導洞上臺階初期支護、臨時中隔壁→開挖左側隧道右導洞下臺階→施作左側隧道右導洞下臺階初期支護、臨時中隔壁→開挖左側隧道左導洞上臺階→施作左側隧道左導洞上臺階初期支護→開挖左側隧道左導洞下臺階→施作左側隧道左導洞下臺階初期支護→拆除臨時中隔壁，澆筑二次襯砌。左側隧道施工完畢后，再進行右側隧道的開挖，其施工工序和左側隧道的一樣。

圖4 Ⅳ級圍巖施工順序示意圖

在模擬施工的過程中，開挖一側導洞，上臺階超前下臺階5m；右導洞掌子面超前左導洞掌子面5m，每次的開挖步距取為1m；假設開挖完成后，初期支護、臨時中隔壁緊隨施作，在模擬中將開挖和初期支護的施作這兩個工序視為一個過程進行。下圖5~8為部分工序圍巖的豎向位移云圖。

圖5 左側隧道左導洞上臺階開挖5m，左側隧道右導洞上臺階開挖10m時圍巖豎向位移云圖

圖6 左側隧道二次襯砌完成20m時圍巖豎向位移云圖

圖7 右側隧道右導洞上臺階開挖5m時圍巖豎向位移云圖

圖8 右側隧道二次襯砌20m時圍巖豎向位移云圖

從上面各圖可以看出，隨著施工的進行，圍巖的豎向位移在增大，先行洞（左側隧道）周邊圍巖的豎向位移一直大于后行洞（右側隧道）。通過對沉降曲線的數據進行整理分析表明，先行洞拱頂位置對應的地表監測點G的沉降大于中墻中間處對應的地表監測點H的沉降；在沉降曲線的后面部分，中墻中間處對應的地表監測點H的沉降大于先行洞拱頂位置對應的地表監測點G的沉降，說明后行洞開始開挖后，引起中墻上部圍巖產生過大的變形，導致其沉降超過先行洞拱頂周圍圍巖的沉降。后行洞拱頂位置對應的地表監測點I的沉降一直在增大，其沉降值是三條曲線中最小的。

4 圍巖位移場分析

左洞開挖完成后圍巖的豎向位移云圖和水平位移云圖見圖9和圖10，右洞開挖完成后圍巖的豎向位移云圖和水平位移云圖見圖11和圖12。

圖9 左洞開挖完成后圍巖豎向位移云圖

圖10 右洞開挖完成后圍巖水平位移云圖

從圖9中可以看到，左洞開挖完成后，拱頂以上范圍內的圍巖往下沉，最大沉降量為5.057mm；仰拱下方的圍巖發生隆起，最大隆起量為3.372mm。

從圖10中可以看到，左洞開挖完成后，拱頂周邊圍巖都有指向洞室內的水平位移，最大水平位移發生在拱頂，最大水平位移為1.170mm；左邊拱腰的水平位移往左，即拱腰處的水平位移背離洞室內，其水平位移數值為0.25~0.5mm；中墻的水平位移向左，位移大小為0.5~ 0.75mm，即中墻的水平位移指向洞室內，這一點與曲邊墻不同，施工中要引起注意，建議加強中墻的初期支護。

圖11 右洞開挖完成后圍巖豎向位移云圖

圖12 右洞開挖完成后圍巖水平位移云圖

從圖11看到，右洞開挖完成后，拱頂以上范圍內的圍巖往下沉，主要發生在中墻上方及其兩側，最大沉降量為6.56mm；仰拱下方的圍巖發生隆起，最大隆起量為3.63mm。在施工過程中要加強對中墻位移的監測，發現問題及時處理。

從圖12看到，右洞開挖完成后，拱頂周邊圍巖的水平位移都指向洞室內，最大水平位移發生在拱頂上方，最大位移值為1.86mm；先行洞和后行洞拱腰處的水平位移大小相等，其數值為0.5~1mm，方向都背離洞內。

5 圍巖應力場分析

左洞開挖完成后圍巖的最大主應力云圖和最小主應力云圖見圖13和圖14，右洞開挖完成后圍巖的最大主應力云圖和最小主應力云圖見圖15和圖16。

圖13 左洞開挖完成后圍巖最大主應力云圖

從圖13中可以看到，左洞開挖完成后，圍巖主要承受壓應力；在拱頂、仰拱和中墻這三個位置局部承受拉應力，拉應力數值大約為0.1～0.2MPa；左側拱腰處承受較大的壓應力，壓應力為0.3～0.4MPa。

圖14 左洞開挖完成后圍巖最小主應力云圖

從圖14中可以看到，左洞開挖完成后，圍巖主要承受壓應力；在拱頂、仰拱處局部承受拉應力，拉應力數值大約為0.1～0.2MPa；左側拱腰處承受較大的壓應力，壓應力為1.0～1.5MPa。

圖15 右洞開挖完成后圍巖最大主應力云圖

圖16 右洞開挖完成后圍巖最小主應力云圖

從圖15和圖16可以看到，右洞開挖完成后，圍巖的最大主應力和最小主應力分布情況和左洞開挖完后的基本相同。從圖中可以看到，中墻頂部、中墻基礎、曲墻周邊出現較大的壓應力，拱頂和仰拱周邊的圍巖出現較大的拉應力，施工中應注意對這些位置的圍巖進行重點監控和加固保護。

6 中墻受力分析

中墻最大主應力和最小主應力云圖如圖17和圖18所示。從最大主應力云圖可以看到，左中墻承受壓應力，最大壓應力為0.418MPa；右中墻承受拉應力，最大拉應力為0.668MPa。從最小主應力云圖可以看到中墻主要承受壓應力，左中墻靠先行洞（左側隧道）內側處的壓應力值最大，為5.55MPa，遠離先行洞（左側隧道），左中墻壓應力減小，最小值約為2.5MPa；右中墻承受的壓應力比較小，為0.5～1.0 MPa。

C35砼的極限抗壓強度為36.5MPa；C35砼的極限抗拉強度為2.2MPa。中墻抗壓強度的安全系數為6.58＞2.4，安全系數滿足規范要求；抗拉強度安全系數為5.23＞3.6，安全系數滿足規范要求。

圖17 中墻最大主應力圖

圖18 中墻最小主應力圖

7 結論

（1）先行洞拱頂位置對應的地表沉降大于中墻中間處對應的地表沉降，后行洞開始開挖后，會引起中墻上部圍巖產生過大的變形，導致中墻中間處對應的地表沉降要大于先行洞拱頂位置對應的地表沉降。后行洞拱頂位置對應的地表沉降一直在增大。

（2）左洞開挖完成后，拱頂以上范圍內的圍巖往下沉，仰拱下方的圍巖發生隆起；拱頂周邊圍巖都有指向洞室內的水平位移；左邊拱腰的水平位移往左，即拱腰處的水平位移背離洞室內，中墻處水平位移向左，即中墻的水平位移指向洞室內，設計及施工中須加強中墻的初期支護。

（3）右洞開挖完成后，拱頂以上范圍內的圍巖往下沉，仰拱下方的圍巖發生隆起，在施工過程中要加強對中墻位移的監測，發現問題及時處理；最大水平位移發生在拱頂上方，拱頂周邊圍巖的水平位移都指向洞室內，先行洞和后行洞拱腰處的水平位移大小相等，方向都背離洞室內。

（4）設計的非對稱性中墻厚度抗壓強度安全系數和抗拉強度安全系數都滿足規范要求。

[1]陳七林.城市連拱隧道的結構設計與施工要點[J].福建建筑，2011（5）∶103-105.

[2]遲建平，逢萍.小洋山大跨度雙連拱隧道中墻優化及現場測試[J].橋隧工程，2007（10）∶314-315.

[3]賴金星，謝永利，李寧軍.無中導洞施工雙連拱隧道的數值模擬分析[J].水文地質工程地質，2006（3）∶68-71.

[4]張國慶.無中墻連拱隧道結構研究[D].重慶∶重慶交通大學，2010：69-81.