《1 前言》

1 前言

沪蓉西高速公路恩施至利川段高速公路全长约 122 km ，设计时速 80 km ，全封闭四车道，是我国规划的公路主骨架网“五纵七横”中的“一横”。 沪蓉西高速公路恩利 X10 段沿线地形地质十分复杂，为获得良好的技术经济效果，采用了较多的连拱隧道方案。 其中白果坝隧道即为一典型双跨连拱公路隧道，隧道位于湖北省利川市境内，左线长 402.396 m ，右线长 403 m ，设计荷载为公路—Ⅰ级，设防烈度 ７ 度。 隧道穿越地貌单元属构造剥蚀峰丛中低山地貌及剥蚀丘陵地貌区，地面标高在 1 140 ~ 1 370 m 之间，区内地形起伏较大，大部分地带植被发育。 区域内岩溶特别发育，属典型山岭地区岩溶隧道。 隧道主要不良地质现象为岩溶和软弱夹层。

《2 施工方案》

2 施工方案

双连拱隧道常见施工方案包括三导洞先墙后拱法､中导洞台阶法､中导洞 CD（ center diaphragm ）法、中导洞全断面法、单洞法、双洞法、无导洞施工法等。 中导洞全断面法、单洞法、双洞法一般适用于地质条件较好、围岩级别 Ⅲ 级以上、隧道跨度较小的情况[1]。 结合该隧道结构形式、跨度等特征和地层地质情况，对三导洞先墙后拱法、中导洞台阶法、中导洞 CD 法、无导洞施工法进行了施工方案对比。 最终确定在洞口段进洞采用安全性高的三导洞先墙后拱法，在中间部位围岩条件较好的地段采用施工进度较快的中导洞台阶法。 另外，为保证施工质量和加快施工进度，改变以往中导坑内中隔墙施工完成后，再施工两侧主洞的常规施工方法，采用了中隔墙先行施工，两侧导坑紧跟施工（两侧导坑与中隔墙保持距离不少于 100 m ）的新型施工方法。 在中部洞身段采取中导洞先行，两侧主洞台阶法开挖隧道，先施作左线隧道，滞后一定时间再施作右线隧道的施工方法。

《3 数值模拟与围岩稳定性分析》

3 数值模拟与围岩稳定性分析

目前，双连拱隧道的结构设计，往往将其简化为荷载结构或作为平面问题处理，较难反映支护结构的实际受力状态。 为更加真实地反映施工过程中结构和围岩的安全稳定性，有必要对施工过程进行动态模拟和空间受力分析。 文章结合白果坝连拱隧道的实际地表、地层条件和施工过程，进行了三维数值模拟，对围岩的稳定性进行分析等，对隧道施工的安全评估提供了参考依据。

《3.1 支护结构概述》

3.1 支护结构概述

白果坝隧道断面为半径 R = 5.5 m 的单心圆拱形式。 两隧道总跨度为 25.841 m ，隧道中心线间距 13.1 m ，采用复合式衬砌。 初期支护为厚 27 cm 的 C20 喷射混凝土，系统锚杆为 D25 中空注浆锚杆，长 3.5 m，岩壁表面挂设 ８ 钢筋网，网格间距为 20 cm × 20 cm ，钢支撑为Ⅰ20b 工字钢，间距为 50 cm ；二次衬砌为 50 cm 厚 C25 模注钢筋混凝土。 初期支护与二次衬砌之间防水层为无纺土工布及 1.2 mm 厚 EVA 防水板。

《3.2 弹塑性模型假定与屈服准则》

3.2 弹塑性模型假定与屈服准则

在外力作用下，一般认为岩土材料是具有弹塑性的，按照弹塑性理论来研究。 文章对隧道开挖施工进行模拟，所涉及到围岩和作为支护结构的混凝土材料，均表现为弹塑性性质，考虑到缺乏试验资料，并为了使问题得到一定简化，围岩材料采用理想弹塑性本构关系，混凝土材料则按照线弹性本构关系处理。

另外，文章的模拟计算中选用了 Mohr - Coulomb 准则。 该准则是一直线型破坏准则，适用于岩土材料受压状态，没有考虑中间主应力的影响，具有简单易用的特点，在目前岩土工程分析中使用最广[2]。

《3.3 计算模型的建立》

3.3 计算模型的建立

对白果坝隧道的模拟分析采用有限元软件 Mi-das GTS 。

根据隧道衬砌断面尺寸、支护参数、施工方法和地层情况，按地层—结构连续体建立三维有限元模型。 围岩采用 4 节点实体四面体等参元，临时支护和初期支护采用板单元，锚杆采用嵌入式锚杆单元。 围岩采用弹塑性 Mohr - Coulomb 本构模型，结构采用线弹性本构模型[3,4]。

为尽量减少模型中边界条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围确定如下：沿隧道轴向左右两侧按照 5 倍洞跨即 60 m 考虑，沿隧道纵向按照施工开挖方案和进度，中导洞与左右导洞开挖施工相互错开，即中导洞与左导洞、右导洞各错开 20 m，左侧主洞与右侧主洞相互错开 20 m，中导洞开挖 100 m 浇筑中隔墙后开挖左侧主洞，因此取模型纵向长度范围为 150 m 。 垂直方向向下取为 3 倍洞高，即厚度 30 m 。 整个计算模型在 x ，y ，z 三个方向尺寸为 140 m × 150 m，y 轴正向为隧道开挖方向，z 轴正向向上为正，上部按照隧道所在位置地形等高线图按实际地表建模，见图 1 。 计算模型的边界条件为：底面为竖向约束，四周围岩外边界面为垂直围岩面法向约束，上边界为荷载自由边界，隧道区模型及隧道支护网格划分详见图 2 。 计算区域内的单元总数为 34 675 ，节点总数为 5 495 。

《图1》

图1 双连拱隧道模型网格划分图

Fig.1 Network partition figure of double multiple arch tunnel model

《图2》

图2 隧道及支护网格细部图

Fig.2 Grid detail figure of tunnel and achor －plateretaiing

模型的计算参数见表 1 。

《表1》

表1 模型中所采用的各材料力学指标值

Table1 Mechanics index value of every material adopted in the model

注：支护结构中的钢筋 按等效方法予以考虑，即将钢筋的弹性模量折算给混凝土

《3.4 隧道开挖过程模拟》

3.4 隧道开挖过程模拟

首先计算围岩自重应力场，然后进行隧道开挖施工过程的模拟，计算隧道衬砌结构与围岩的应力场和位移场，见表 2 。

《表2》

表2 双连拱隧道三导洞紧跟施工结构与围岩体系施工阶段与荷载步

Table2 Three pilot holes of double multiple arch tunnel following construction structure and construction phase of wall rock system and load step

《3.5 隧道围岩稳定性分析》

3.5 隧道围岩稳定性分析

白果坝隧道三导洞紧跟施工围岩主应力图见图 3 ～ 图 10 。

《图3》

图3 CS1 围岩 σ1 应力分布图

Fig.3 Stress distribution figure of CS1 wall rock σ1

《图4》

图4 CS1 围岩 σ3 应力分布图

Fig.4 Stress distribution figure of CS1 wall rock σ3

《图5》

图5 CS2 围岩 σ1 应力分布图

Fig.5 Stress distribution figure of CS2 wall rock σ1

《图6》

图6 CS2 围岩 σ3 应力分布图

Fig.6 Stress distribution figure of CS2 wall rock σ3

《图7》

图7 CS3 围岩 σ1 应力分布图

Fig.7 Stress distribution figure of CS3 wall rock σ1 

《图8》

图8 CS3 围岩 σ3 应力分布图

Fig.8 Stress distribution figure of CS3 wall rock σ3 

《图9》

图9 CS8 围岩 σ1 应力分布图

Fig.9 Stress distribution figure of CS8 wall rock σ1 

《图10》

图10 CS8 围岩 σ3 应力分布图

Fig.10 Stress distribution figure of CS8 wall rock σ3 

由各施工阶段应力云图可见，隧道进洞以后，随着不断开挖，隧道周边的围岩由于开挖卸载，应力迅速减小。

在 CS1 施工阶段，由于三导洞开挖，导洞底部围岩应力释放，最大主应力为负，即没有出现拉应力。 由于中导洞跨度较大，其导洞底部主应力绝对值较小，而两侧导洞由于侧向挤压作用其主应力值较中导洞为大。 其中在右侧导洞拱部附近，由于受到右侧山体偏压作用，围岩主应力较大，洞口 3 368 节点处围岩 σ3 应力为 －0.54 MPa ，施工时应注意山体偏压对围岩稳定性的影响。 在隧道掌子面附近，围岩主应力最大，其中 σ3 主应力在 -1.13 ~ -1.4 MPa 之间，应采取措施稳定掌子面围岩，注意注浆锚杆施工质量。

在中隔墙浇筑后，随着左上主洞开挖，主应力向两侧洞腰转移，左主洞下部围岩应力释放，中隔墙顶附近围岩应力增大，32 576 单元 σ3 应力由 CS1 阶段的 -0.64 MPa 增大为 -0.76 MPa 。 随着中导洞向前开挖掘进，由于中导掌子面围岩的空间效应影响，底板部为围岩应力释放，产生隆起，中隔墙底产生一定拉应力， CS3 施工阶段最大拉应力 0.86 MPa ，但在混凝土结构抗拉强度范围内，结构是安全的。

CS8 施工阶段随着两侧主洞开挖，隧道底部应力释放，拱腰和中隔墙顶围岩应力继续增大，32 576 单元 σ3 应力最终达 -0.86 MPa 。 中隔墙受压明显增大，最大压应力 σ3 为 -3.24MPa 。

CS15 施工阶段最大压应力分布图如图 11 所示。 由图 11 可见，由于左右侧山体偏压作用，右侧围岩应力明显大于左侧岩体，其中右洞拱脚仰拱连接处围岩应力较大。 洞口处拱腰结合部位 4 269 节点 σ3 最大压应力 -0.76 MPa ，左侧对应位置 5 号节点 σ3 最大压应力为 －0.56 MPa 。

《图11》

图11 CS15 围岩 σ3 应力分布图

Fig.11 Stress distribution figure of CS15 wall rock σ3 

为观察方便，在模型内部垂直整体坐标 Y 轴做两个剖面，如图 12，图 13 所示，由最终阶段围岩塑性区分布图可见，洞周围岩塑性区主要分布于中导洞周围，中隔墙顶两侧、和右导洞拱脚仰拱连接处，而左侧导洞基本无塑性区存在，这主要是受到山体地形影响，荷载不对称造成了偏压，从而导致围岩应力左右不对称，因而在施工时应考虑中导洞施工以及右侧导洞施工时洞周围岩的稳定性，必须着重对中导洞施工时围岩的稳定采取有效措施，加强系统锚杆的施工质量，防止围岩发生失稳。

《图12》

图12 CS15 洞口 10 m 处围岩塑性区剖面图

Fig.12 Profile chart of wall rock plastic zone 10 m from CS15 hole

《图13》

图13 CS15 洞口 140 m 处围岩塑性区剖面图

Fig.13 Profile chart of wall rock plastic zone 140 m from CS15 hole

《4 结语》

4 结语

通过建立白果坝双连拱隧道三维弹塑性模型，动态模拟了隧道开挖施工过程，分析了围岩应力变化情况。 通过分析，主要得到以下几点结论：

1) 双连拱隧道采用中隔墙先行施工，两侧导坑紧跟施工的新型施工方法，围岩符合安全施工要求。

2) 应力分析表明，在掘进工作面附近围岩应力集中较明显，越向下则应力集中越大，剪应力也越大，因此施工时应加强开挖工作面附近部位支护。

3) 右侧导洞由于受到地形偏压荷载作用，围岩应力较左侧主洞大，主应力最大位置分布在隧道开挖面附近及右侧边墙与仰拱交界处，施工时应采取措施，注意右侧主洞掌子面附近围岩及拱脚围岩稳定。

4) 中导洞是三导洞施工中围岩稳定性最差的导洞，存在较大范围围岩塑性区，右侧导洞拱脚仰拱连接处也存在塑性区，而左侧导洞基本无塑性区存在，施工中应注意中导洞系统锚杆施工，加强围岩监控量测。