1、1双跨连拱隧道的施工过程模拟和测试分析1、工程概况 张石高速公路野狐岭 1#隧道起讫里程为K19+840 K20+400，全长 560 m，位于野狐岭段玄武岩台地区，恰处分水岭（山脊）和垭口重合地段；该隧道最大埋深位于隧道中部偏后为 16.8 m，进出口段埋深 12 m，其余埋深58 m，属于浅埋隧道。隧道围岩主要为级围岩，进口地段围岩以强风化碎块状玄武岩为主，次为亚粘土，地表风化强度更强，岩质疏松；出口地段主要为弱-强风化碎块状结构，次为碎石土；中部地段岩石风化程度较进口段弱，也以强风化碎块状玄武岩为主。由于岩体风化差异，致使疏松岩石与坚硬岩块相间出现，开挖过程很难控制开挖断面形状，施工困难
2、。隧道横断面采用双跨连拱断面设计，净宽 10.25 m，建筑限界高度 5.0 m，净高 7.05 m.衬砌断面采用单心圆方案，半径为5.43 m，以利于结构受力以及便于施工。隧道平面布置主要服从路线总体走向，采取平曲线，纵坡坡度 2.673%.具体尺寸如图所示。 图 隧道断面图 Fig.1 The Cross Section of the Tunnel 施工中遵循 “先支护、后开挖、短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测”的施工原则进行开挖施工。对于隧道洞口采用明挖法施工，隧道洞身段采用三导洞先墙后拱法施工，中导2洞先行，左导洞滞后中导洞，右导洞滞后左导洞，导洞均采用正台阶法施工，台阶长度 5-7 m
3、，开挖进尺按两榀钢架间距进行。主洞开挖先进行左洞，右洞滞后左洞 7-10 m.主洞开挖亦采用台阶法，上台阶分部开挖预留核心土。2 、有限元 计算 与 分析 采用 ansys 软件进行计算分析，该软件可以方便地模拟分部施工过程和地应力的释放。1 计算模型的确定（1）模型的建立计算假定：隧道的受力和变形为平面应变 问题 ；由于埋深较浅，仅考虑自重应力场。依据圣维南原理，取洞径的 23 倍作为计算区域，上边界取至地表面；左、右边界为水平约束，下边界为水平和垂直约束。围岩用二维平面应变单元模拟，超前支护通过在加固范围内设置重叠单元并提高其地层的物理力学参数来实现，喷射混凝土用二维平面单元进行模拟，二次
4、衬砌则采用梁单元模拟2.网格按靠近开挖处较密、远离开挖处较疏的原则划分，共划分了 1602 个单元，1274 个节点。有限元网格如图 2.图 2 有限元计算模型 Fig.2 FEM Model（2） 计算步骤计算步骤分为 12 步：1 导洞开挖及初期支护2 墙浇筑3 导洞开挖及初期支护4 主洞上部开挖5 主洞上部初期支护6 主洞下部开挖及支护7 洞开挖及初期支护8 主洞上部开挖9 主洞上部初期支护10 洞下部开挖及支护11 右洞二次初砌。加上初始应力场的计算共 12 步。2 计算 结果及 分析 从计算得出的各个施工阶段的最大主应力、最小主应力以及位移量，得出以下分析。 （1）中3导洞开挖后，导
5、洞拱顶沉降有 7mm ；浇筑中墙后，中墙底部的围岩出现小部分的塑性区，表明底部围岩有局部的破坏，修筑中墙时应注意加强基础。 （2）左洞上部开挖后，中墙呈偏压状态，左侧墙底受拉，其值为 0.96MPa，并未超过混凝土的抗拉强度；开挖区附近围岩的水平方向的应力重分布情况较明显。 （3）随着右洞的开挖与初期支护后，左、右洞拱脚部位支护混凝土压应力增长较快；中墙受力明显改善，受力状态趋于对称，中墙底部出现拉应力，但其值并未有太大的变化，约为1MPa；左、右洞拱 顶 均有约 45mm 的沉降。 （4）二次衬砌施作后，从模筑混凝土的受力来看，仰拱普遍出现拉应力，其值大部分小于 0.5MPa，局部出现 1.
6、18MPa 的拉应力；拱顶也有拉应力出现，但未大于 0.6MPa；中墙顶有 6.63MPa 的压应力，墙底出现 1.01MPa 的拉应力。3 、监测 内容 与结果 为评价承载结构受力状况，本文结合张石高速公路野狐岭 1#连拱隧道施工，主要做了二次衬砌混凝土内力的量测工作。根据现场情况，本次应变监测点选在 K20+355 断面上。具体测点布置如图 4 所示。此次的二次衬砌表面应变量测工作选用的仪器是长沙金码高 科技 实业有限公司生 产的 JMZX212 智能弦式数码应变计以及 JMZX-200X 便携式综合测试仪，JMZX212 智能弦式数码应变计是一种表贴式应变计，根据监测时期的长短，可分别选
7、用膨胀螺钉或粘贴剂将其固定在混凝土结构表面。普通传感器输出的均是原始信号（频率等），4而智能弦式数码传感器不仅保留了钢弦频率的直接输出功能，而且由于其已将计算 方法 和标定参数存储在了传感器内，因此还可以直接输出相对应的被测物理量（应变等）。图 4 二次衬砌表面应变测点布置 Fig.4 Measuring Points Arrangement on Secondary Lining Surface 二次衬砌表面应变量测在拆模后马上进行，准备工作始于 2005 年 8 月下旬，量测工作从 2005年 9 月 1 日开始，持续到 10 月 23 日（进入冬季，天太冷，现场停止大规模施工）。尽管在准
8、备阶段对左右洞均布设了测点，但由于施工原因，仅获得了左洞断面的量测结果。图 5 至图7 为各测点的应变变化情况。实测结果表明，二次衬砌混凝土应变在量测过程中变化不大，由虎克定律求得二次衬砌混凝土表面应力值来看，除左洞拱顶测点存在拉应力外，其余测点均处于受压状态，并且所得拱顶拉应力值在 0.6MPa 以下；中墙墙身处于受压状态，中墙顶并未出现拉应力。所测二次衬砌在监测断面上的应力不大，在 36MPa 之间，说明施工方案与设计方案是合理的，隧道结构受力状况良好。4、结语 由计算分析结果和监控量测的数据来看，二次衬砌上的应力总体来说不大，在拱顶及仰拱部位存在着一定的拉应力，一般均满足其抗拉强度，只是
9、仰拱局部出现较大的拉应力。就监测的应力状态而言，二次衬砌整体应力不大，隧道结构的受力状态良好。监控量测是信息化设计的重要组成内容，也是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术。监控量测一方5面可以掌握承载结构的动态变化，由此来预见险情，提前采取有效措施，保证施工安全；另一方面也是为以后的 研究 提供原始数据，积累工程资料。本文计算所采用的是二维有限元计算，但岩体的开挖属于三维 问题 ，岩体的变形也存在空间效应，虽然二维有限元模型在简化计算过程的同时也能较好的反映岩体的应力和变形，但由于忽略了隧道开挖的空间效应，因此仅能得到计算断面处变形收敛的稳定位移，即最大位移。因此在实际的施工过程中应加强对围岩内部位移、净空收敛和拱顶下沉的量测，及时反馈信息，才能确定出衬砌的最佳施作时机。参考 文献 1 中华人民共和国行业标准。公路隧道设计规范（JTG D70-2004）S.北京：人民 交通 出版社，2004.82 赵玉光。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。2003.4
