探討某公路項目雙連拱隧道施工方案的可行性

殷承志

（貴州橋梁建設(shè)集團有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

受穿越山體地質(zhì)、地形條件約束，一些隧道采用連拱隧道結(jié)構(gòu)，與單拱隧道相比，該類隧道掘進(jìn)時的變形分析、預(yù)測、控制更為復(fù)雜。在連拱隧道施工階段，根據(jù)現(xiàn)場工況，采用更加適宜的施工方案，成為隧道施工最為重要的技術(shù)管理環(huán)節(jié)[1]。該文基于項目現(xiàn)場的實際情況，采用數(shù)值模擬與有限元分析軟件，進(jìn)行理論計算，得到了不同施工階段的變形云圖，并繪制了相應(yīng)的變形曲線，對其進(jìn)行了理論探討，以論證所采用的技術(shù)方案的可行性[2]。

1 工程概況

某高速公路大跨徑、連拱結(jié)構(gòu)形式隧道，其單拱跨度達(dá)12.7 m、高度9.81 m，兩單拱之間的中隔墻最小厚度為1.1 m，隧道全長801.28 m；隧道導(dǎo)洞拱頂為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)層為C35 模筑鋼筋混凝土、防水層、C25早強混凝土、120b 鋼架及雙層鋼筋網(wǎng)。

2 隧道開挖方案

隧道大斷面開挖采用“中洞+CRD”施工方式掘進(jìn)，因隧道開挖順序的差異，對隧道施工變形及開挖效果有很大影響。施工方案設(shè)計決定采用“中洞+CRD 法”施工，該掘進(jìn)方案，根據(jù)開挖導(dǎo)洞流程（見圖1）順序的不同，細(xì)分為施工技術(shù)方案（01）和施工技術(shù)方案（02）：

圖1 某雙連拱隧道開挖導(dǎo)洞流程編號示意圖

2.1 施工技術(shù)方案（01）

開挖中洞→左線外側(cè)導(dǎo)洞③、④、⑤→中洞曲中墻→開挖左線內(nèi)側(cè)導(dǎo)洞⑥、⑦、⑧→左仰拱→左拱墻、拱頂。

左主洞二襯工程完工后，再進(jìn)行右主洞開挖，其開挖次序與左主洞相似，最后進(jìn)行右線二襯砌施工。

2.2 施工技術(shù)方案（02）

綜上，雙連拱隧道開挖施工技術(shù)方案（01）、施工技術(shù)方案（02）的最大區(qū)別在于：方案（01）為非對稱開挖技術(shù)，而方案（02）為對稱施工方案。

3 有限元模型建立

利用ABAQUS 軟件對雙連拱隧道進(jìn)行了二維有限元建模，并對兩種施工方案進(jìn)行了仿真分析[3]。在建立模型時，根據(jù)隧道的地質(zhì)情況、確定隧道圍巖為Ⅴ級、相應(yīng)的地層物理指標(biāo)見表1。按照Hardening-Soil 模型的要求，需要引用E50、Eoed、Eur3個模量參數(shù)，應(yīng)由土的剛度和應(yīng)力的關(guān)系決定，采用公式（1）～（3）表示：

表1 圍巖地層物理力學(xué)參數(shù)匯總表

圖2 標(biāo)準(zhǔn)排水三軸試驗主加載下雙曲型應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

4 兩種施工技術(shù)方案的變形

運用數(shù)值建模、有限元法理論，分析大跨徑雙連拱隧道變形[4]。

4.1 圍巖與拱頂沉降分析

施工技術(shù)方案（01）：采用數(shù)值模擬與有限元分析軟件，進(jìn)行理論計算，得到了不同施工階段的拱頂沉降云圖，并繪制了相應(yīng)的變形曲線，如圖3 所示。從圖3可以看出，拱頂?shù)淖畲蟪两凳?79.00 mm。

圖3 施工技術(shù)方案（01）導(dǎo)洞沉降變化

施工技術(shù)方案（02）：采用數(shù)值模擬與有限元分析軟件，進(jìn)行理論計算，得到了不同施工階段的拱頂沉降云圖，并繪制了相應(yīng)的變形曲線，如圖4 所示。從圖4可以看出，拱頂?shù)淖畲蟪两抵禐?76.00 mm。

圖4 施工技術(shù)方案（02）導(dǎo)洞沉降變化

施工技術(shù)方案（01）：左主洞開挖、二襯砌完工→右主洞開挖、二襯砌施工，依據(jù)拱頂沉降云圖及歷程沉降曲線的分析，可知：1）后開挖右洞拱頂出現(xiàn)了最大沉降量；2）在完成左主洞二襯工程后，右主洞的開挖對左主洞的沉降影響明顯減小；3）右主洞的沉降最終大于左側(cè)主洞，并表現(xiàn)為非對稱。

施工技術(shù)方案（02）：左、右主洞開挖、二襯砌基本對稱施作，雖同步開挖存在交互影響，但通過對拱頂下沉云圖和歷程沉降曲線的變化分析，得出：1）沉降量最大位置均為左、右主洞拱頂；2）左、右主洞開挖，沉降變化曲線具有高度一致性，表明兩主洞沉降變形呈對稱分布，且不存在由一邊向另一邊運動的傾向。因此，從計算結(jié)果來看，方案（02）比方案（01）更優(yōu)。

4.2 連拱隧道中隔墻掘進(jìn)時水平位移

圖5 雙連拱隧道中隔墻水平位移變形

從圖5 可知，方案（01）中隔墻受不平衡應(yīng)力的不利作用，水平位移變形持續(xù)呈增加趨勢，最大位移為4.4 mm；在采用方案（02）的情況下，中隔墻因兩邊的受力均勻，基本上沒有產(chǎn)生位移變形。依據(jù)中間隔墻位移變形分析，方案（02）更優(yōu)于方案（01）。

4.3 雙連拱隧道中導(dǎo)洞初襯水平變形

在雙連拱隧道施工階段，中導(dǎo)洞的水平變形是一項重要的檢測指標(biāo)。利用有限元數(shù)值模擬方法，對不同施工方案下的中導(dǎo)洞初襯變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5-6]，見圖6、圖7。

施工方案（01），模擬左主洞③導(dǎo)洞開挖完畢后，左中洞發(fā)生向左變形，右側(cè)主洞導(dǎo)洞開挖后，中洞水平變形。通過對圖6 的分析，發(fā)現(xiàn)：1）在左線主洞導(dǎo)洞開挖過程中，出現(xiàn)了連續(xù)的變形；2）中導(dǎo)洞左、右側(cè)壁水平變形不對稱，導(dǎo)致中導(dǎo)洞出現(xiàn)偏壓。

圖6 方案（01）中導(dǎo)洞初襯水平變形

從圖7 可以看出，在采用方案（02）的情況下，中導(dǎo)洞的左右兩側(cè)壁水平變形是對稱的，表明中導(dǎo)洞的應(yīng)力分布是均勻狀態(tài)。所以，采用施工方案（02）進(jìn)行隧道掘進(jìn)，其方案更優(yōu)。

圖7 方案（02）中導(dǎo)洞初襯水平變形

4.4 施工技術(shù)方案對比分析

綜上，該公路隧道工程模擬采用兩種不同施工流程的技術(shù)方案，其拱頂沉降、中隔墻及中導(dǎo)洞初襯砌水平位移變形分析及計算結(jié)論見表2。

表2 2 種方案對比表

通過對拱頂沉降、中隔墻及中導(dǎo)洞初襯砌水平位移變形分析可知：1）施工技術(shù)方案（01）和施工技術(shù)方案（02）拱頂沉降量最大值幾乎一致，而方案（01）的右拱頂沉降比左拱大，表現(xiàn)為非對稱；2）在方案（01）中，由于不均衡力的影響，中隔墻的水平位移持續(xù)增加，最大位移為4.4 mm；3）在實施方案（02）的情況下，中隔墻因兩邊的受力均勻，基本上沒有產(chǎn)生位移；4）在方案（01）中，導(dǎo)洞左右兩側(cè)壁水平變形具有非對稱性，而在方案（02）中，左右壁水平形變對稱。從技術(shù)角度來看，采用施工方案（02），左、右拱變形對稱、均衡、穩(wěn)定性好，與方案（01）相比更優(yōu)。

5 結(jié)論

通過ABAQUS 軟件建立了該雙連拱隧道的二維平面有限元模型，對施工方案（01）和（02）各施工階段的拱頂沉降、中隔墻及中導(dǎo)洞初襯水平位移進(jìn)行兩種方案仿真分析，論證了兩種方案的技術(shù)可行性：

（1）從經(jīng)濟效益角度分析：施工方案（02），因主洞可以同時開挖，并可采用設(shè)橫向通道的方式，多開工作面，實現(xiàn)同步開挖，從而加快了施工進(jìn)度，這在工期緊、資源配置均衡等方面有明顯的優(yōu)勢。

（2）從力學(xué)上分析：工程方案（02）采取對稱式開挖，使拱體變形均勻，對稱，穩(wěn)定性好。因此“中洞+CRD”的對稱式掘進(jìn)技術(shù)，在南方復(fù)雜山地、大跨徑雙連拱隧道的施工中，具有較高的可行性，可為同類工程的設(shè)計和施工提供參考。