（岩土工程专业论文）偏压连拱隧道中隔墙力学分析及施工优化.pdf

t h em e c h a n i c a la n a l y s i so ft h ew a l li nt h eb i a sa r c ht u n n e la n dt h e c o n s t r u c t i o no p t i m i z a t i o n b y h uz e c h a o b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i u h u i a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 。 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：鞠j 专挝 e 期：7 f l f 年f 月万日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权长沙理r 大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，町以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：铂胥弛 晰虢壶弋终 日期：少一年岁月万e 1 日期：加，年 厂月多j 日 b - ， 摘要 连拱隧道是目冉订使用较多的一种比较新颖的隧道结构，它跟小间距隧道一 样，是我国目自订在山岭修建隧道的理想结构形式。它具有线性顺畅，跨度大， 地形条件受限制较小，窄间利用率高等特点。但作为其中出现的比较多的一种类 型，偏，k 连拱隧道的应用研究还在探索阶段，目前尚缺乏完善系统的研究，这就 导致了连拱隧道的施工方法跟设计理论上的不成熟，无法使结构设计的优化跟理 论相结合起来。由于目前连拱隧道的修建越来越多的出现在西部地区，偏压连拱 隧道出现的越来越多。所以在这方面的研究尤为迫切。本文结合具体的施、 项目， 对偏压连拱隧道中的中隔墙结构进行了力学分析，并对隧道的施工工序做了优化 分析。 本文分析了连拱隧道的发展，并在其基础上归纳了目日i 使用的较为普遍的连 拱隧道施工方法，并埘各自的特点进行了对比分析。 对目前连拱隧道的核心结构：中隔墙的结构分类，施工特点进行了归纳，对 比。 以庄盖高速公路中的新斤岭隧道作为研究实例，利用m i d a s g t s 软件对隧道 的开挖过程进行了模拟分杉i ，分了不同开挖方法下，中隔墙的力学变化特点，总 结了受偏压作用下的连拱隧道中隔墙的力学形式，把其中的一种施工方法：三导 洞法做了进一步的分析，对隧道受到的偏压受力进行了模拟，给出了施工工艺的 优化建议，并结合监拧营测的数据进行了对比。通过对这个具体工程的分析，得 出了偏压连拱隧道中，施r ：【序对中隔墙的影响，并提出了一定的优化建议。 关键词：连拱隧道偏压中隔墙监控量测有限元分析 a bs t r a c t a r c ht u n n e li sc u r r e n t l yu s e di nm o r eo far e l a t i v e l yn e wt u n n e ls t r u c t u r e ，w h i c h t u n n e lw i t hs m a l ls p a c i n g ，a sc h i n ai sc u r r e n t l yb u i l d i n gt h et u n n e li nt h em o u n t a i n a r e at h ei d e a ls t r u c t u r e i th a sal i n e a ra n ds m o o t h ，l a r g es p a n ，l e s sr e s t r i c t e dt e r r a i n ， h i g h e r u t i l i z a t i o no fs p a c ec h a r a c t e r i s t i c s b u ta sm o r eo ft h e ma p p e a r e dat y p eo fb i a s i nt h ea p p l i c a t i o no fa r c ht u n n e li ss t i l lt h ee x p l o r a t o r ys t a g e ，t h ec u r r e n tl a c ko fa c o m p r e h e n s i v es y s t e mo fr e s e a r c h ，w h i c hl e dt ot h ea r c ht u n n e lc o n s t r u c t i o nm e t h o d s w i t ht h ei m m a t u r i t yo ft h ed e s i g n t h e o r y ，c r nn o tm a k e t h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n c o m b i n e dw i t ht h et h e o r y a r c ht u n n e ld u et ot h ec u r r e n tc o n s t r u c t i o no fm o r e a n dm o r ei nt h ew e s t e r nr e g i o n ，t h eb i a sa r c ht u n n e l a p p e a r sm o r ea n dm o r e t h e r e f o r e , r e s e a r c hi nt h i sa r e ai s p a r t i c u l a r l yu r g e n t i nt h i sp a p e r , t h es p e c i f i c c o n s t r u c t i o np r o j e c t ，t h eb i a si nt h ea r c ht u n n e lw a l ls t r u c t u r ei nt h em e c h a n i c a l a n a l y s i s ，a n d c o n s t r u c t i o no ft h et u n n e lt od ot h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i sp r o c e s s t h i sa r t i c l ef i r s ta n a l y z e st h ea r c ht u n n e li nt h ed e v e l o p m e n ta n ds u m m a r i z e si t s c u r r e n tu s eo nt h eb a s i so ft h em o r ec o m m o nm e t h o do fa r c ht u n n e lc o n s t r u c t i o n ， a n d t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sw e r ec o m p a r e d t h e nt h ec o r eo ft h ec u r r e n ta r c ht u n n e l s t r u c t u r e ：t h ep a r t i t i o no ft h es t r u c t u r a lc l a s s i f i c a t i o n ，t h ec o n s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w e r es u m m a r i z e d ，c o m p a r e d x i n k a i l i n gt u n n e lc o v e r e db yt h en e wh i g h w a yo p e n e di nt h et u n n e la st h e r e s e a r c ho b j e c t ，t h ei l s eo fm i d a s g t ss o f t w a r et ot u n n e le x c a v a t i o np r o c e s sw a s s i m u l a t e d ，d i v i d e du n d e rd i f f e r e n te x c a v a t i o nm e t h o d s ，c h a n g e si nw a l lm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i a ls u m m a r yu n d e rp r e s s u r ei nt h et u n n e lw a l l a r c hm e c h a n i c a l f o r m t h e n ，ac o n s t r u c t i o nm e t h o di nt h ef o r mo fo n eo ft h r e ep i l o tt u n n e lm e t h o d w e r e f u r t h e ra n a l y z e db yt h eb i a so ft h et u n n e lh a sb e e ns i m u l a t e db yt h ef o r c e ，g i v e n t h e o p t i m i z a t i o n o fc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y , c o m b i n e d w i t h m o n i t o r i n gd a t a m e a s u r e d a n dc o m p a r e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h i ss p e c i f i cp r o j e c t ，o b t a i n e db i a s a r c ht u n n e l ，t h ec o n s t r u c t i o no ft h ei m p a c to fp r o c e s s e so nt h ew a l l ，a n dat o t a lo f s o m e o p t i m i z a t i o nt i p s k e yw o r d s ：a r c ht u n n e l ，b i a s ，t h ew a l l ，m o n i t o r i n g ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 第三章连拱隧道施工过程模拟及中隔墙力学特点 3 1 数值模拟原型工程概况2 0 3 2 新开岭隧道有限元模拟计算时的计算假定2 0 3 3 模型计算边界和参数的确定2 0 3 4 模型的建立及计算方案2 1 3 4 1 隧道施工过程及支护加固措施的模拟2 l 3 5 弹塑性有限元基本理论2 3 3 5 1m i d a s g t s 的基本原理及特点2 5 3 6 运用m i d a s g t s 软件模拟分析2 7 3 6 1 中导洞全断面法施工方案计算模拟2 7 3 6 2 中导洞台阶法施工方案计算模拟 3 2 3 6 3 三导洞法施工方案计算模拟3 9 3 7 本章小结4 4 第四章现场监测中隔墙内力及施工优化 4 1 偏压连拱隧道施工方法优化研究4 5 4 2 施工工序设计4 5 4 3 中隔墙现场监测4 7 4 3 1 中隔墙现场监测5 0 4 4 本章小结5 5 结论和展望5 7 结i 沧。5 7 展望5 7 参考文献5 9 感谢6 3 附录6 4 2 一。 jl曩 第三章连拱隧道施工过程模拟及中隔墙力学特点 3 1 数值模拟原型i ：程概况2 0 3 2 新开岭隧道有限兀模拟计算时的计算假定2 0 3 3 模型计算边界和参数的确定2 0 3 4 模型的建立及计算方案2 1 3 4 1 隧道施r 过程及支护加固措施的模拟一1 3 5 弹塑性有限元基本理论2 3 3 5 1m i d a s g t s 的基本原理及特点2 5 3 6 运用m i d a s g t s 软件模拟分析2 7 3 6 1 中导洞伞断面法施工方案计算模拟2 7 3 6 2 中导洞台阶法施工方案计算模拟3 2 3 6 3 三导洞法施j 方案汁算模拟3 9 3 7 本卷小结4 4 第四章现场监测中隔墙内力及施工优化 4 1 偏压连拱隧道施工方法优化研究4 5 4 2 施工工序设计4 5 4 3 中隔墙现场监测4 7 4 3 1 中隔墙现场监测一5 0 4 4 本章小结5 5 第五章结论和展望5 7 结论5 7 展望5 7 参考文献5 9 感谢6 3 附录一6 4 2 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 引占3 1 2 我国国内连拱隧道的发展情况4 1 3 连拱隧道的特点5 1 4 国内外连拱隧道研究状况6 1 4 1 中隔墙断面的选型研究6 1 4 2 中隔墙结构力学特点研究6 1 4 3 双连拱隧道现场监控量测及围岩稳定性分析7 1 5 存在的问题7 1 5 1 施工工艺流程的优化7 1 5 2 支护结构参数的合理确定7 1 5 3 隧道结构的防排水8 1 6 本文研究内容和方法8 1 6 1 研究内容8 1 6 2 研究方法h 8 第二章连拱隧道施工及中隔墙的类型 2 1 连拱隧道一般性施工方法1 0 2 1 1 三导洞法1 0 2 1 2 中导洞拓展法1 2 2 1 3 中导洞中隔壁法1 3 2 2 中隔墙的种类1 5 2 2 1 整体式中墙断面1 5 2 2 2 三层中墙断面型式1 7 2 3 中墙结构特点分析1 7 2 4 中隔墙的施工1 9 2 5 本章小结1 9 1 1 引言 第一章绪论 在我国的第十个五年计划中，我困的高速公路建设被摆在了一个重要的位 置，它也标志这我国的高速公路建设驶入了快车道。高速公路的布局已不仅仅只 是围绕重点城市建设，开始逐渐向山岭地区延伸。根据我国交通部的规划，国家 高速公路网近期建设目标是：全面建成五纵七横圈道主干线系统幢1 。到2 0 1 0 年， 建成5 5 5 万公咀，占总瞩程的6 0 9 6 左右。其中，东部地区约1 8 2 o 万公里， 中部地区约1 6 一l - 7 万公垦，西部地区约1 6 一i 8 万公里。到十五末，国家高 速公路网建成3 5 万公垦，占总咀程的4 0 以上。截至到2 0 0 7 年底，建成4 2 万公里，占总里程的近一半；到2 0 2 0 年屉右我国将形成8 5 万公瞿国家高速公 路网。初步统计，在规划的8 5 万公咀国家高速公路网中，目前已建成2 9 力公 里、在建1 6 万公里、待建4 力公暇，分别占总里程的3 4 、1 9 和4 7 。待建里 程中，东部地区o 8 万公咀、中部地区1 1 万公里、西部地区2 1 万公里，建 设任务主要集中在中西部地区，特别是两部地区的建设任务还相当繁重。从我 国的地形特点上知道，山岭重丘地形在中两部地区占了很大的比重。在这些地区 修建高速公路的话，路线就会经常经过一些特殊地形区，如穿越小垭口或小山鼻。 在这种特殊地区修筑隧道的话，一般有二种候选方案：路堑、小间距隧道和连拱 隧道。路堑在目前环保要求越来越强的形式下，采用的越来越少。采用连拱隧道 的话一般有以下几种情况：( 1 ) 洞f 】地形狭窄且地质条件在v 级围岩以上的岩石 地层。( 2 ) 出现了左右路幅难以展丌或展， ：会有大的路基工程量，且路基边坡高 度较大( 大于4 0 m ) 。( 3 ) 在特殊的地形f ，若采用分离式隧道导致左右洞相差 的长度很大，或者会造成地面建筑受到大的影响时1 。连拱隧道能够用最小的限 度去占用和分割土地，对保护环境有着善要的优势。虽然小净距隧道比分离式隧 道有很大优势，在较好的地形有利条件f 也可以部分替代连拱隧道。但与连拱诉 调总体相比还是多占土地，线桥隧相连的线性较差，特别是在软弱围岩条件和城 市周边山丘兴建双连拱隧道的不可替换性更为突出。而且小间距隧道对于中心岩 核处理的技术和施工工艺较为复杂。 国外的连拱隧道修建比我国开始的要早，它们在连拱隧道修建方面已经积累 了相当丰富的施工设计经验。如在f 本、意大利、瑞士等发达国家。但由于连拱 隧道本身结构的特殊性，使得其设计施【：技术部比常规隧道要复杂很多。这个是 目前国内外隧道领域研究的鼋点对象。 由卜目的连拱隧道修建的数量越来越多，修筑的地形条件也是越来越复杂， 一个不叮避免的问题出现在了连拱隧道旋工的前面：偏，k 作用。有偏压效应的连 拱隧道建设经验及理论研究较少，这方面的研究已经成为目i ； 十木界的一个研究 热点。针对偏，连拱隧道无论从设计角度，还是从施工角度，更应充分考虑到施e 方案和不同支护结构参数选择对于地层变形、地表沉降和支护结构力学状态的影 啊，其中隧道施工的顺序对围岩稳定及应力、应变会产生很大，不可忽视的影响。 由于偏压力的作用，使得偏压连拱隧道中隔墙的受力跟非偏压连拱隧道相比来 兑 要复杂的多，如压力，弯矩，剪力，扭矩等都会出现在其卜面。而且夕右洞施 距离对中墙多次扰动的影响也比较难以把握。另外中隔墙自己的沉降和水平位移 特点对连拱隧道的整体稳定性起着关键作用 1 0 o 中隔墙顶部的防水处理足连拱隧 道施工中的个大难题，这也是所以施工设计单位头疼的地方。所以如何能够好 的进行中隔墙施i = ，中墙自身基础的加固和中墙拱顶的回填是整个连拱隧道能否 安全顺利施工的黾中之重。目前的连拱隧道的设计施工当中，保证中隔墙具有足 够的承载力和稳定性使其不被破坏；针对不同的岩土类型和地质环境，如何确定 合理的中隔墙厚度是中隔墙是两个没得到完美解决的两个方面。 现在隧道研究人员为了分析连拱隧道中隔墙在隧道施工过程中受力以及应 力与变形的特点，基本多采用数值分析方法动态模拟施工过程希望能够得出中隔 墙的应力应变的一般性规律。数值分析在连拱隧道中的应用较为广泛，它町以帮 助辅助解释现场观测到的一些复杂，特殊现象，另外町以弥补现场观测点和观测 内容的不足。 1 2 我国国内连拱隧道的发展情况 连拱隧道在我困的发展跟国外发达国家相比要慢一些，截至目前为止有2 0 多年的历程。连拱隧道在我国的研究、设计、施工，经历了初期、发展期、成熟 期3 个阶段。相关资料说明，在1 9 9 3 年，我国第一条成型的公路连拱隧道：白云 山三车道连拱隧道通车，其跨度达3 1 5 m h l 。 初期阶段是2 0 世纪9 0 年代初期到2 0 0 0 年，这一期问是连拱隧道在我国的探 索阶段，国内先后建设施工的连拱隧道有十几座这一阶段对连拱隧道的研究主要 是通过现场的监拧肇测来了解连拱隧道的受力特性，从而町以进行连拱隧道的施 工方法探讨和优化。我国早期修建的连拱隧道多采用整体式中墙结构，中墙出现 渗漏水病害较多。连拱隧道在发展初期多以两车道连拱隧道居多，主要分布在山 岭区桥隧展线困难地段及城市区城乡结合部。我国中后期内，随着连拱隧道的不 断在高速公路中使用，连拱隧道发展取得了快速的发展，已经出现了i 连拱，甚奄 四连拱隧道。在结构型式上也有了较大的优化盯1 。 2 发展阶段阶段是进入2 l 世纪初的4 年。由f 连拱隧道在展线中的优越性在 初期阶段得到了充分的体现，再加l 我因公路建设开始由东部沿海地区向西部内 陆地区发展，高速公路建设由东部平原地区向中西部山岭重丘区发展，连拱隧道 在高等级公路中的应用是越来越多。 连拱隧道的建造数量在我国发展迅猛，自2 0 世纪9 0 年代我国只有为数不多 的十余座连拱隧道，但进入2 l 世纪以来，斟内公路连拱隧道建设已经有很大的发 展；已经建成的公路连拱隧道有京珠高速公路矗龙岭隧道、云南玉元高速公路练 江隧道等等 1 。全国订三在规划、设计、施r 的连拱隧道尚有若干座，例如福建的 邵三高速公路杨家斜隧道、层溪隧道，四川西昌至攀枝花高速公路龙塘湾隧道、 云南安宁至楚雄高速公路榄板凳隧道、平地隧道、孔家庄隧道，福建省罗长，京 福，三福三条高速公路建设的连拱隧道达2 5 座。 目 i i 连拱隧道在我国应用的范围还是以公路方面为主，在铁路和城市轨道方 面应用的较为少。随着连拱隧道施【= 【艺和技术的发展，连拱隧道在这些领域的 应用将会很大。 1 3 连拱隧道的特点 伴随这连拱隧道建设数量的不断增加，其特点渐渐的显现出来，主要有以下 几个方面口别： ( 1 ) 在特殊的山岭重丘地区，有利于洞i - j 和洞身的选择，可以减少隧道的建设 长度，从而减少工程投资。 ( 2 ) 避免隧道洞口桥隧或路隧分幅，从而町以节省进出口洞口路基所占徒弟面 积，也有利于路桥隧整体线形的流畅。 ( 3 ) 缩小了隧道所占地下空间，提高了地f 窄间利用率。 ( 4 ) 可以减少洞口边坡开挖，有利于环境保护和保护名胜古迹，也利于运营管 理。 连拱隧道虽解决了其他种隧道所存在的一些问题，拥有诸多优点，但其自身 的缺点也比较明显啪1 ： ( 1 ) 最主要的是开挖跨度大，二车道隧道跨度大于2 2 m ，三车道隧道跨度大于 3 0 m ，隧道要经受的围岩压力较大。 ( 2 ) 连拱隧道的埋深浅，多次的爆破会造成围岩反复多次的扰动。特别是中墙 的顶部和两侧会容易出现隧道圈岩的坍方。 ( 3 ) 施工工序多，结构特殊且复杂，结构受力变化较多，施工中要求的质量控 制点也多，从而使得施 技术难度大。 ( 4 ) 中墙和边墙的施工不同步使得支护系统受力复杂，施工缝也更加明显化。 ( 5 ) 隧道整体结构长度较短。 1 4 国内外连拱隧道研究状况 1 4 1 中隔墙断面的选型研究 公路连拱隧道的断面结构要结合建筑限界、地质条件、结构受力、防排水、 施r 方法、洞外接线条件等因素综合确定，从而使隧道既要结构受力合理、洞外 接线过渡自然、防排水町靠还要经济合理、美观大方。另外连拱隧道的断面结构 其很大程度上取决于中墙断面结构瞳引。 高世军等提出分片式直中墙结构的连拱隧道形式。马力权，程崇圜把我国连 拱隧道的中墙断面分为整体式和分片式两种。李玉文，陈贵红等把连拱隧道的中 墙分为六种基本形式。现行隧道设计规范把连拱隧道中墙结构分为整体式和复合 式两大类，并指出如果有条件加大中墙厚度的地段比较适合选用复合式中墙连拱 形式。不论足整体式还是复合式中墙，均町再分为直中墙和曲中墙两种形式啪1 。 直中墙连拱隧道开挖支护和二次衬砌施j 亡过程中工艺步骤较多，围岩扰动多次， 中隔墙所承受的围岩压力臣大。中墙与左右懂二次衬砌之i h j 存存纵向施工缝，左 右主洞的横向排水管及符合排水板必须与中墙相应对接，这就会导致隧道中墙凹 部常有积水和渗漏水病害发生，影响结构的耐久性和营运安全。近年来我国的公 路隧道建设技术有了突飞猛进的发展，所建隧道均要求采用夫模板钢台牟浇筑二 次衬砌混凝f t 。由丁二曲中墙连拱隧道的净空轮廓与单洞的净窄轮廓并无实质上的 差异，这就提高了台车的利用率，节省了大量资金，同时，曲中墙舣连拱隧道具 有较好的视觉效果，其中墙受力更为合理，尤其是仰拱支持型曲中墙结构。今后 曲中墙型式的连拱隧道将得到更为广泛的应用。 1 4 2 中隔墙结构力学特点研究 中隔墙是连拱隧道的区分其他常规隧道的一个标志性构造物，也是其重要的 组成部分。中隔墙的力学行为直接反映并决定着连拱隧道整体结构稳定性。鉴于 这点，隧道【程界一直将中隔墙力学行为的研究作为各自的逗点。目前研究采用 的生要手段是通过对连拱隧道进行数值模拟计算，来对其中隔墙的力学行为进行 分析。如f r j 】济犬学、长安大学、西南交通大学等科高校科研单位在这方面做了大 量的工作1 。 截企目前研究取得了一定的成果，通过目前町查的论文有：隧道中墙设计合 理足叮以提高连拱隧道地基承载力的并对隧道洞周位移起到定的约束作用，还 对提高衬砌结构的安全系数起着荤大作用，并对连拱隧道和整个隧道的结构受力 起到优化。另外，双连拱隧道施工中，左右洞如果 e 对称丌挖，就会对中墙形成 4 。种不平衡的推力和弯矩。 1 4 3 双连拱隧道现场监控量测及围岩稳定性分析 尽管连拱隧道近年来在高速公路和高等级公路中的应用逐渐增多，但大多数 设计文件中对围岩和支护系统的受力及变形状况未有也不可能有详细的描述，在 设计和施= 规范中也没有相关阐述，冈此对连拱隧道实施监控量测是1 乍常有必须 的，它在施工过程中通过对围岩和支护的变形与测试数据，对原设计予以修芷， 或者藿新计算和设计提供依据。通过分析量测数据，可以确定符合连拱隧道工程 要求的地质条件的施工方法和支护结构的施r 措施，以充分利用围岩自承能力； 在侧压力较大的地层中，利用量测数据町以确定最佳的仰拱施工时间。通过监控 量测还能发现施工中隐藏的不安全因素和隧道仃町能失稳的区段或者局部薄弱 的部位，从而及时采取相应的加固或其他措施。 目前，各高校、科研单位及施。 单位对双连拱隧道的监控量测及其分析均较 为霞视，取得宝贵的第一手现场隧道围岩变化的资料，保证了双连拱隧道施e 的 安全顺利进行【”，。 1 5 存在的问题 到目前为止，我国对连拱隧道的研究有将尽： o 年，虽然取得了不小的成果， 但有些方面还有待作进一步的研究： 1 5 1 施工工艺流程的优化 我国建设完成的连拱隧道总量虽然已是世界第一，但是施工工艺，流程都比 较单一，都趋于保守设计施工。基本以三导洞发作为主要的施工方法，个别工程 采用跳槽式开挖。三导洞法固然有自己安全町靠的优点，但其施工复杂，工期较 长，不代表其能适合所有情况。 1 5 2 支护结构参数的合理确定 连拱隧道自身结构较多。开挖工序也较多。支护之间相巨影响。这就使得连 拱隧道围岩应力的变化跟衬砌荷载之间的转换变的极为复杂。在连拱隧道的施工 开挖过程中，我们难以对围岩应力的分布，特殊部化衬砌应力的变化和变形做出 准确的解决1 。这就使得在连拱隧道设计当中，存存盲目性：将总体支护体系做 的过强，而有蝗局部位置又相对较弱。另外其给出的隧道施工时机也不是很合理。 所以，如何确定合理的支护体系及施 原则柬保护其安全的前提下作为浅埋连拱 隧道施工的依据还需要进步的研究分析。 1 5 3 隧道结构的防排水 隧道结构的防排水足隧道设计和施： 中的莺点也是难点之一，是造成连拱隧 道突出质蟹通病的根源所在，一直是当日 f 比较复杂久悬末决的难题 啪1 。许多从 事连拱隧道设计，研究和施工的人员号门研究了双连拱隧道排水技术和中墙渗漏 水治理技术。 连拱隧道防排水，涉及有地表和洞内纵横坏向三维窄i 自j 的防水，排水，有洞 内隐藏管道，暗沟和洞外明沟的防水排水，因此是个立体空问的防排水系统工程。 连拱隧道防排水的蕈点和难点集中在中墙的防排水问题t 。 + 1 6 本文研究内容和方法 1 6 1 研究内容 本文以庄盖高速公路新歼岭偏压拱隧道为研究背景，将研究偏压隧道施工过 程中中墙力学行为作为基准点。对这一隧道，通过有限元分析软件，模拟分析了 不同施工条件f ，中隔墙水平和怪向的力学特点，并依据这个分析情况，对新开 岭隧道的施1 做出优化，从而得了一些偏压连拱隧道中隔墙施 中的优化特点。 具体内容如下： ( 1 ) 研究偏压连拱隧道中隔墙力学变化特点 对新丌岭隧道模拟采用三种施工方法施工，利用m i d a s g t s 对这三个施工方 法进行施工过程进行模拟，分析每个施工方法下，不同阶段的中墙的力学变化情 况，并对比不同施【方法f ，同一施工阶段的中墙力学变化的情况。 ( 2 ) 中隔墙数值模拟与监控鼍测实测结果对比 根据前曲模拟分析的清况对新开岭隧道的偏压情况进行分析处理，并根据监 测结果来核实模拟分析的情况。 ( 3 ) 中隔墙的有关旋 优化 根据前面对中隔墙受力情况和监测结果的情况综合分析对目前有关中隔墙 的施工方法提出更改建议。 1 6 2 研究方法 ( 1 ) 对国内连拱隧道l 程情况进行初步调查， 方法，及中墙的种类和各自特点。 ( 2 ) 理论计算分析 ? 分析对比不同的连拱隧道施工 选择一实际偏爪连拱隧道为原型，利用有限元计算分析软件对双连拱隧道施 工过程中中隔墙内力的变化情况进行模拟分析研究。对比分析不同施工方法f 同 阶段的力学变化情况和同一施： 方法下不同施工阶段的力学变化情况剀。 ( 3 ) 现场监控譬测数据跟模拟计算综合分析 6 依托i i 程庄盖高速公路中新斤岭双连拱隧道中对其中隔墙内力的监测数据 来判断隧道情况，并合适模拟分析计算中对隧道给出的施【优化方案，从而得出 一些相关结论。 7 第二章连拱隧道施工及中隔墙的类型 2 1 连拱隧道一般性施工方法 连拱隧道的稳定性主要是由中隔墙稳定性和隧道施【方法这两个因素决定 的1 。根据以往对中隔墙稳定性分析的相关研究中知道，中隔墙的稳定性与连拱 隧道的施【过程有着紧密的联系。施工过程中对中墙的多次扰动是影响中隔墙稳 定的t 要原因，所以不同的施工工艺对中隔墙稳定性的影响是不一样的。在偏压 连拱隧道中，这点体现的更为明显。 经过最近2 0 年的隧道工程实践，我国的连拱隧道施工已积累了相当丰富的经 验和理论，逐渐形成有了具有中国自己特色的方法体系。目前，连拱隧道中我们 常采用断面斤挖方法大致可以将其分为三导洞方案、中导洞方案和无导洞方案三 大类。选择合理的施工方法，除了将地质条件作为一个董要的考虑因素外，还应 考虑：施工条件，围岩条件，隧道断面积，埋深，工期，环境条件这螳因素。此 外还要遵循以f 几个原则h ： ( 1 ) 连拱隧道的施，e 需要遵守遵守左右两洞前后错歼开挖。各洞在软弱围岩段开 挖应采用管超前，注浆严，爆破弱，短进尺，强支护，早封闭的原则。 ( 2 ) 采用的技术方案，应具有可操作性，施工尽量简便。 ( 3 ) 保证施i ：作业安全和建成后的隧道在结构上的稳定性。 ( 4 ) 控制底层沉降在设计值范围内。 ( 5 ) 技术方案要求经济合理。 对目前【三建连拱隧道的调查研究发现，常用施工方法为e 面二大类中的三导 洞法施工方案、中导洞拓展法施工方案和中导洞- c d 法施【方案这三个方案。 2 1 1 三导洞法 三导洞法的工艺原理是，把大洞室分解为若干小洞室，利用小洞窀歼挖围岩 松动范围小的有利条件，构成稳定的初期支护。就是常说的犬洞小作，以小代大 的原理。工艺特点就是将连拱隧道整体斤挖面分为三个小洞事超前掘进。按照传 统断面结构施 ，首先进行中导洞的开挖和支护，在中导洞贯通后和中隔墙衬砌 修筑完毕后，进行危右两侧导洞前后错歼开挖( 两侧导洞问距一般为2 0 m 一3 0 m ) 和初期吏护。其中中导洞的超前支护是为了给中墙提供连拱交点的支撑作用，两 侧导洞超前是为了解决侧墙落脚支撑b 引。 连拱隧道跟单幅隧道相比有个明显的区别，那就是连拱隧道存在中隔墙这个 8 构筑物。连拱隧道中墙卜方的刚岩足整个隧道结构最为薄弱的环节。根据i 导洞 法施工的特点，知道在整个隧道施 过程中，中墙l 面的围岩会至少受到一t 次扰 动：首先是在中导洞歼挖的时候，再就是在左右导洞开挖的时候。通过这点就告 诉我们，在施工过程中要及时对中墙面刚填和，k 浆加固，否则就容易出现拱顶 的坍塌事故。在三导洞的施一f 过程中，由r 左右侧导洞的错歼施： ，开挖的小对 称性，这就极易造成中隔墙的不均匀受力，从而对其造成施： 偏压荷载。这就要 求施工单位在使用三导洞法施工的时候要格夕l 、注意两侧导洞的间距和对中墙的 监控量测。只有这样才能够在施工过程中保证隧道整体的稳定性。 双连拱隧道的特点就是双洞f b 】岩柱被混凝t 取代，以中墙形式出现在隧道两 洞之间，形成双洞拱墙相连的结构型式。其施工工序相对来说比较繁琐。由f 隧 道结构型式所限，施工工序较难简化，r 期较长，结构受力状态在施工过程中频 繁变化，其质量控制点较多。 双连拱隧道三导洞法施工流程： l o 图2 1 j 导洞法施工顺序示意图 开挖流程：( 1 ) 中导洞开挖及施l ：临时支护；( 2 ) 中墙施工；( 3 ) 中墙顶回填；( 4 ) 左右两洞侧导洞开挖并支护；( 5 ) 右洞上台阶开挖及支护；( 6 ) 右洞仰拱施： 及二 次衬砌；( 7 ) 左洞上台阶开挖及支护；( 8 ) 左洞下台阶开挖及支护；( 9 ) 左侧导洞 仰拱施工并施工二次衬砌。 三导洞方案有以下优点。1 3 j ： ( 1 ) 可以用在软弱围岩和地质条件较差的地区，因为其开挖面较小，对隧道 周边的围岩产生扰动的范围小。 ( 2 ) 三导洞法施： 下的隧道左右东的仞期支护跟二次衬砌的支护都得到及时 的封闭，这对施工的安全起到罩要r 保障。 ( 3 ) 三导涧法施工中隧道基脚和拱顺产生的沉降都比较小。二期结构的刚度 又大，这就有利于结构的安令和牢同。 ( 4 ) 中导洞的超前斤挖相当f 对隧道前力的围岩做超i j i 预报 作，使得对隧 道前面围岩情况比较清楚，有利于施亡方法的改进，此外还可以提肓仃疏导排放地 9 下水，对隧道的丌挖条件起到积极的改善。 ( 5 ) 三导洞法施r 要对机械的要求较低，特别是大型的机械设备，能够降低 工程成本。 2 1 2 中导洞拓展法 中导洞拓展法阳1 的l ：艺原理是：中导洞先行无侧导洞施工。施工流程是隧道 的中导洞先施工，做好其开挖工作，将其支护结构贯通，中墙的衬砌修筑好，中 墙顶部回填后，左右洞j i ：始开挖。其开挖方式不足侧导洞先开挖的方法。而是采 用正台阶或不同的方法进行主洞的斤挖。开挖和初期支护用先拱后墙的原则进 行。此方法根据左右圭= 洞的斤挖方式不同可分成两种方式： ( 1 ) 中导洞一台阶法 g 图2 2 中导洞一台阶法施工顺序示意图 开挖流程：( 1 ) 中导洞开挖及临时支护；( 2 ) 中墙施： ；( 3 ) 中墙顶回填；( 4 ) 右洞 上台阶开挖及支护；( 5 ) 右洞f 台阶开挖及支护；( 6 ) 右洞仰拱施工及二次衬砌： ( 7 ) 左洞上台阶开挖及支护；( 8 ) 在洞下台阶开挖及支护；( 9 ) 左侧主洞的仰拱开 挖并施工二次衬砌。 中导洞台阶在围岩条件好的地质情况下使用的较多，多半为级以上围岩 中。跟前面说明的三导洞法类似，隧道两侧洞室的开挖也要遵循错开开挖原则， 其中隧道左右两侧洞窀的开挖方法与我们常见的单幅隧道台阶法施工相像。隧道 左右侧导洞台阶长度的小同是不经相同的，我们根据这点将中导洞台阶法细分 为：长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种。在施工中台阶法的选择一般是由f 面两个条件柬决定的： ( 1 ) 要求隧道初期支护形成闭合断面的时间。闭合时间根据围岩的情况宋要求， 当围岩差的时候，闭合要求的w , i f b j 就要短，反之依然。 ( 2 ) 歼挖上部断面用的开挖，支护出渣等机械设备情况，也就是这样机械所要 求的场地情况。 在实际应用中，第一个条件一般作为皇导，在确保满足第一个条件的基础i ： 1 0 兼顾第二个条件。从而是施 的安伞经济效益能够有效结合。当然，在围岩情况 很好的时候，这个可以调整为以第二个条件作为主要考虑因素，兼顾第二个条件。 卡要是在这种情况下可以优先考虑怎么样让工程机械发挥最大效率。而隧道下台 阶施r 中，也是根据围岩情况来分别对待的，当差的时候就按基本顺序施工。当 围岩好的时候一般采用纵向跳槽j r 挖边墙马 1 掘进方法，这样町以使得大中犁施 工机械使用能力得到充分发挥，从而能够使作业效率，施 进度大大提高并使施 。 工造价也得以降低。 ( 2 ) 中导洞一全断面法 中导洞全断面法啪1 跟台阶法不+ 样，这个方法一般使用在围岩好且整体性强 的地方，一般在l 级并整体性好的围岩。因为伞断面开挖要求开挖到支护前，这 个短暂时间内，围岩能够给保持幻暂的稳定，这个围岩就能满足这种条件。中导 洞全断面发左右洞窀的开挖情况跟般单幅隧道全断面开挖相像。由于洞室的全 断面开挖，这就使得有较大的t 作宅间，能够进入大型配套的机械设备。这也就 使得该方法的施工速度较快，施i ：组织和管理也比较容易进行。但同样是因为大 断面开挖使得围岩的物理力学参数降低，这给隧道的安全造成了隐患。这就要求 施r = 单位具有较强的开挖，出渣能力和支护结构及时跟e ，从而来避免出现上面 的情况。 7 图2 3 中导洞一全断面法施- e l i 暖序示意图 开挖流程：( 1 ) 中导洞开挖及临时吏护；( 2 ) 中墙施工；( 3 ) 中墙顶回填；( 4 ) 右洞 开挖及支护；( 5 ) 右洞仰拱施工及二次衬砌；( 6 ) 左洞开挖及支护；( 7 ) 左洞仰拱 施j 及二次衬砌。 鉴于目前连拱隧道越来越多的出现在地形条件较差的地区，再加上中导洞全 断面法施工自身的要求使得这一施l 方法使用的较少。该方法对隧道围岩要求较 高而且隧道围岩会受多次扰动的影响。这就使得施 单位在进行全断面法施工的 时候要加强辅助施 方法的设计和作业枪奁，除此以外还要对支护后围岩的动态 进行持续及时的量测与监控。 2 1 3 中导n - 中隔壁法 双连拱隧道的中导洞一中隔壁法1 也叫“中导洞叫d 法”。它要求左右两洞开 挖向丽后应错歼2 5 m 以l 。它大部分使用在软弱围岩和地质条件差，隧道断面大， 地衷卜沉有严格要求的情况下。 图2 4 中导洞弋d 法施工顺序示意图 丌挖流程：( 1 ) 中导洞开