联拱隧道的结构分析

联拱隧道的结构分析

陈少华，李勇

摘要：通过一个典型的联拱隧道的结构分析，来解决联拱隧道的各个开挖阶段围岩的稳定性、各阶段初期支护和临时支护的受力以及二次衬砌的受力等问题。

关键词：联拱隧道；有限元法；结构分析

联拱隧道和分离式公路隧道是目前修建公路隧道的两种形式，在地质条件许可、土地使用昂贵，且路线分离困难时，可采用联拱隧道。联拱隧道由于它的高跨比很小（H／B＜0.5），加之隧道开挖和支护相对于分离隧道要复杂，所以设计单位和施工单位很关心隧道建设中围岩的稳定性和初期支护、二次衬砌的受力和安全性，这时结构分析在联拱隧道的设计和施工中显得很重要。

联拱隧道设计和施工中一般采用分步开挖、适时支护的方式，各开挖阶段的有限元模型各不相同，再加上隧道围岩稳定性分析一般要考虑开挖后的应力释放等问题，所有这些都需要结构计算人员和设计人员紧密配合共同解决。

最近交通部重庆公路科学研究所承担了同三线黄坛

岭南段至岵岫岭隧道的设计验算工作，现将计算时考虑

的问题及解决方法介绍如下：

1 联拱隧道所处地质和设计情况

该隧道所处地质情况是围岩从Ⅱ类到Ⅲ类，埋深由

5.5 m到54 m不等。其中在Ⅲ类围岩一段，设计人员认

为最危险，地质情况如下：表层有13 m的浮土和松散体，

下面是Ⅲ类围岩（强风化花岗岩），隧道开挖面的顶部到

浮土底部埋深38.85 m（图1），隧道开挖跨度24.60 m，

隧道开挖高度为9.97 m。图1 结构示意图

1.1 设计参数

（1）初期支护10 cm厚的喷射混凝土、3.5 m

长Φ22的锚杆；

（2）50 cm的二次模注衬砌，40 cm厚的仰拱；

（3）中隔墙厚230 cm（图2）。

1.2 隧道施工设计步骤

第一步：中间导洞（中隔墙修筑处）开挖；

第二步：对中间导洞进行临时支护；

第三步：修筑中隔墙；图2 开挖区域及支护结构

第四步：左侧导洞开挖；

第五步：对左侧导洞进行初期支护和临时支护（正洞开挖后连同临时支护挖掉）；

第六步：先对左洞拱顶注浆，后开挖拱顶上半断面；

第七步：对左洞上半断面施作初期支护；

第八步：修筑左洞二次衬砌；

第九步：左洞全部开挖；

第十步：修筑左洞仰拱，到此联拱隧道左洞修筑完毕；

第十一步：右侧导洞开挖；

第十二步：对右侧导洞进行初期支护和临时支护；

第十三步：对右洞拱顶注浆，后开挖拱顶上半断面；

第十四步：对右洞上半断面施作初期支护；

第十五步：修筑右洞二次衬砌；

第十六步：右洞全部开挖；

第十七步：修筑右洞仰拱。

该隧道的高跨比为G／B＝0.405，理深与跨度之比为38.85／24.6=1.58＜3.0，可见是典型的浅埋隧道。对设计和修筑这种隧道，设计人员很关心在隧道开挖和运营中围岩的稳定性，初期支护和临时支护的受力，施工完成后二次衬砌的安全性。为此笔者采用计算力学手段——有限元法，希望用这样的分析手段针对上述问题进行定量分析。

2 联拱隧道的结构分析

2.1 力学分析软件的选择

隧道结构力学计算可选用传统的有限元分析法，但是它对有限元分析软件提出一些具体的要求：

（1）必须模拟分阶段开挖及开挖过程中地应力的释放；

（2）必须有模拟锚杆及初期支护作用的单元；

（3）针对岩土介质的力学特性，分析软件要考虑岩土的凝聚力C和计算摩擦角Ψ；

（4）有适合岩土材料的强度评价方法（Mohr-Columb或Drucker-Prager强度理论）。

针对上述问题笔者选用2D—σ结构有限元分析软件，该软件是岩土力学及地下工程专业分析软件。结构分析中，对于岩土采用二维平面应变单元，虽然隧道开挖过程中考虑三维效应，掌子面对开挖洞室有一定的约束作用，但随着开挖长度的增大，该约束作用逐渐减小，为安全起见还是选用二维平面应变单元比较合适。对于锚杆选用专门的锚杆单元；对于初期支护和临时支护中的喷射混凝土选用梁单元；对于临时支护中的小锚杆，由于考虑围岩的连续性，可不计它的影响；对于二次衬砌，由于它比较厚，不适合用梁单元模拟它，而选用二维平面应变单元模拟。

2.2 隧道结构分析中的力学参数

隧道结构分析中的力学参数如表1所示。

表1 隧道结构分析中的力学参数

材料力学参数

浮土及松散体E=1.0 MPaμ=0.5 =18 kN/m3C=1.0 kPaΨ=20°

Ⅲ类围岩E=11.4 GPaμ=0.25 =23 kN/m3C=40 kPaΨ=54°

注浆体E=20.0 GPaμ=0.167 =25 kN/m3C=1.2 kPaΨ=56°

二次衬砌E=26.0 GPaμ=0.167 =24 kN/m3 C=1.848 kPaΨ=52.643°

中隔墙E=30 GPaμ=0.167 =25 kN/m3C=2.54 kPaΨ=54.903°

锚杆E=210.0 GPaΦ22 mm

喷混凝土E=20.0 GPaμ=0.167 =24 kN/m3

注：注浆体数据现场试验提供，经考察达到20号混凝土参数值。

2.3 隧道毛洞开挖及支护过程中应力释放

隧道作为地下结构的一种，在建设过程中特别注意地应力的影响和地应力的释放，否则不能保证围岩的稳定性和支护结构的安全。象这样一种大跨度，小矢跨比的结构（矢跨比=0.405）隧道工程一般采用分步开挖，适时支护。整个隧道施工如本文1.2节中所示的共十七步，隧道结构分析除选择合适的计算软件外，还应对施工过程作合理的模拟。该隧道在设计和计算中，对地应力的释放，根据两个单位的技术人员的经验给予定量化，计算中除按以上所述的十七个施工步骤外，另加上一个初始地应力场计算，共分十八个计算阶段，第一阶段是初始应力场分析，各阶段的地应力释放如表2所示。