（工程力学专业论文）双连拱隧道施工过程有限元数值模拟分析.pdf

摘要 近些年来，我国修建了很多连拱隧道。连拱隧道线形流畅，占地面积少， 空间利用率高避免了洞口路基或大桥分幅，与洞外线路连接方便；同时在适应 地形条件、环境保护以及工程数量上都具有优越性。但连拱隧道又兼有埋深较 浅、地质条件一般比较差等缺点，一般在浅埋的中短距离隧道设计中被较多地 采用。在连拱隧道的开挖过程中，洞室围岩发生卸荷回弹和应力重分布，若围 岩应力变化大或者岩体强度低以致不足以适应这种应力重分布，洞室围岩就会 丧失其稳定性因此，对围岩稳定性进行评价、尤其对连拱隧道进行围岩稳定性 评价是高速公路隧道设计、施工和运营过程中必须面临和考虑的一个重要课题， 加强这一方面研究意义重大。 本文依托安庆至景德镇高速公路安徽段前家山隧道和铜黄高速公路铜汤段 上坡隧道，采用有限元方法，借助大型商业有限元软件a d i n a ，首先以前家山 隧道为研究对象，对实际工程最常用的三种开挖方法分别进行了数值模拟，分 析了它们各自的围岩和支护的受力变形规律，经比较后，得出了三导洞法是 类围岩中修建连拱隧道的较好开挖方法的结论。根据此结论以上坡隧道为研究 对象，进行了三导施工方法的弹性数值模拟，对上坡隧道施工时围岩和结构的 受力变形规律进行了详细分析。在弹性数值模拟的基础上，进一步进行了弹塑 性分析，得到了施工过程中塑性区出现的位置并提出应对隧道断面进行优化设 计以减少应力集中现象避免出现塑性区域的建议。最后建立了三维空间有限元 模型，对连拱隧道开挖时的空间效应、左右洞的相互影响进行了分析。本文所 得结论可对公路双连拱隧道的建设施工提供有效的参考 关键词：双连拱隧道，施工方法，有限元方法，平面弹塑性，三维空间模型。 t h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so fd o u b l e - a r c t u u n e li nc o n s t r u c t i o np r o c e s s a b s i r a i ? l i nr e c e n ty e a r s , m a n yh i g h w a yd o u b l e - a r c ht u n n e l sh a v eb e e nb u i l t t h er o u t e o f d o u b l e a r c hi sf l u e n ta n di m p r o p r i a t i n gt h ea r e ai ss m a l la n dt h er a t i oo fu t i l i z i n gs p a c ei s l l i g h i ti se a s yt oc o n n e c tt h eo u tr o a dw i t ha v o i d i n gt h ee m b a n k m e n ti nt h et u n n e le x i to r t h eb r i d g ef r a m i n g i th a st h ea d v a n t a g e so fa d a p t i n gt h ec o n d i t i o na n dp r o t e c t i n gt h e e n v i r o n m e n ta n de n g i n e e r i n gq u a n t i t a t i v e l y b u tt h ed o u b l em u l t i a r c ht u n n e li sd e s i g n e d u n d e rt h ec o n d i t i o nb u r i e ds h a l l o wt u n n e lw i mt h em o d e r a t et os h o r tl e n g t h t h e s u r r o u n d i n gr o c k sw i l lh a p p e nw h e nt h el o a di sr e m o v e da n dr e t u r n e da n dt h es t r e s sw i l lb e r e d i s t r i b u t e dd u r i n g t u n n e ld i g g i n g t h es u r r o u n d i n gr o c kw i l ll o s et h es t a b i l i t yw h e ni t s s t r e n g t hi st o ol o wt oa d a p tt h es t r e s sr e d i s t r i b u t i o n s oi ti sa ni m p o r t a n tc o n t e n tw i t h c l o s e l yr e l a t i n gt ot h ec o n s t r u c t i o no ft u n n e la n do p e r a t i o ni nt h eh i g hw a yt h a ta n a l y z i n g t h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k b a s e do nt h eq i a n j i a s h a nd o u b l e a r ct u u n e la n ds h a n g p o d o u b l e - a r ct u u n e l ，u s i n gt h ef m _ i t ee l e m e n tm e t h o da n dl a r g e - s c a l ec o m m e r c i a lf m i t e e l e m e n ts o f l w a r e - a d i n a , f i r s tt a k i n gt h eq i a n j i a s h a n gt u n n e la st h eo b j e c to fs t u d y , w e s i m u l a t et h ec o m m o ne x c a v a t i n gm e t h o d so fd o u b l e - a r ct u n n e lr e s p e c t i v e l y , a n a l y z et h e s t r e s sa n ds t r a i no fw a l lr o c ka n ds u p p o r ts t r u c t u r eo fe a c hm e t h o d , a n dr e c o m m e n dt h e b e s te x c a v a t i n gm e t h o dt oc o n s t r u c td o u b l e a r ct u n n e li nw a l lr o c k so f h i a c c o r d i n gt ot h i s c o n c l u s i o n ，t a k i n gt h et u n n e la st h eo b j e c to fs t u d y , w es i m u l a t i o nt h e t h r e eh e a d i n g s m e t h o d c o n s t r u c t o no ft h et u n n e la n d a n a l y z et h e ”t h r e eh e a d i n g sm e t h o d ”i nd e t a i l a n d t h e n ，w ea l s oc a r r ya l s oo u tp l a n ee l a s t o p l a s t i cs i m u l a t i o no fd o u b l e a r ct u n n e l ，a n dg e tt h e d e v e l o p m e n tr e g u l a r i t yo fp l a s t i cr e g i o n f i n a l l yw es e tu pt h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c em o d e l t os i m u l a t et h es p a c ee f f e c td u r i n gt u n n e lc o n s t r u c t i o n , a n a l y z et h et r a n s a c t i o nb e t w e e nt h e l e f tt u n n e la n dt h er i g h tt u n n e l t h ec o n c l u s i o n sw ed r a wc a na l s op l a yad i r e c t i v er o l e i nh i g h w a yd o u b l e a r ct u n n e lc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：d o u b l e - a r ct u u n e l ，t h et h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h ec o m m o ne x c a v a t i n g m e t h o d s ，p l a n ee l a s t o p l a s t i cs i m u l a t i o n ，t h r e e - d i m e n s i o n a ls p a c em o d e l 。 图 图 图 图 插图清单 1 隧道设计最小净距示意图。1 1 常刚度迭代法1 1 2 锚杆受力示意图1 2 3 反转应力释放法1 7 图2 4 “施加虚拟支撑力逐步释放法”隧道施工过程模拟示意图：1 8 图3 1 三导洞法施工工序示意图2 1 图3 2中导正洞台阶法施工工序示意图2 l 图3 3中导正洞全断面法施工工序示意图。2 2 图3 4 前家山隧道断面2 3 图3 5前家山隧道有限元计算模型2 5 图3 6 前家山隧道有限元计算模型局部细化图2 5 图3 7 三导洞法开挖中导洞围岩位移图2 7 图3 8 三导洞法开挖右侧导洞围岩位移图2 7 图3 9 三导洞法开挖左导洞围岩位移图2 8 图3 1 0 三导洞法开挖右洞拱部土体围岩位移图2 8 图3 1 1 三导洞法开挖左洞拱部土体围岩位移图2 8 图3 1 2 三导洞法开挖右洞核心土体围岩位移图2 9 图3 1 3 三导洞法开挖左洞核心土体围岩位移图2 9 图3 1 4 台阶法开挖中导洞围岩位移图2 9 图3 1 5 台阶法开挖右洞拱部围岩位移图2 9 图3 1 6 台阶法开挖左洞拱部围岩位移图2 l 图3 1 7 台阶法开挖右洞核心土体围岩位移图3 0 图3 1 8 台阶法开挖左洞核心土体围岩位移图3 0 图3 1 9 全断面法开挖中导洞围岩位移3 0 图3 2 0 全断面法开挖右洞围岩位移3 0 图3 2 1 全断面法开挖左洞围岩位移3 0 图3 2 2 三导法开挖中导洞围岩及中墙主应力图3 1 图3 2 3 中导洞及中墙局部放大图3 1 图3 2 4 三导洞法开挖右导洞围岩主应力图3 l 图3 2 5 开挖右导洞主应力局部放大图3 2 图3 2 6 三导洞法开挖左导洞围岩主应力图3 2 图3 2 7 三导洞法开挖左导洞围岩主应力局部放大图3 0 图3 2 8 三导洞法开挖右洞拱部土体围岩第主应力图3 0 图3 2 9 三导洞法开挖右洞拱部土体围岩主应力局部放大图3 5 图3 3 0 三导洞法开挖左洞拱部土体围岩主应力图3 6 图3 3 1 三导洞法开挖左洞拱部土体围岩主应力局部放大图3 7 图3 3 2 三导洞法开挖右洞核心土体围岩主应力图一3 8 图3 3 3 三导洞法开挖右洞核心土体围岩主应力局部放大图3 9 图3 3 4 开挖左洞核心土体围岩主应力图3 9 图3 3 5 开挖左洞核心土体围岩主应力局部放大图3 5 图3 3 6 台阶法开挖右洞拱部土体围岩主应力图3 5 图3 3 7 开挖右洞拱部土体围岩主应力局部图3 5 图3 3 8 台阶法开挖左洞拱部土体围岩主应力图3 6 图3 3 9 围岩主应力放大图3 6 图3 4 0 开挖右洞核心土体围岩主应力图3 6 图3 4 1 开挖左洞核心土体围岩主应力图3 6 图3 4 2 上坡隧道断面图4 0 图3 - 4 3 上坡隧道计算模型图。4 1 图3 4 4 中导洞开挖围岩位移4 2 图3 4 5 左导洞开挖围岩位移图4 2 图3 4 6 右导洞开挖围岩位移图4 2 图3 4 7 二次衬砌后围岩位移图4 3 图3 4 8 开挖中导洞围岩应力图4 3 图3 4 9 中导洞围岩应力放大图4 3 图3 5 0 开挖右洞拱部土体围岩应力图4 4 图3 5 1 开挖左洞下部核心土体围岩应力图4 4 图4 1 上坡隧道计算模型图，4 6 图4 2 计算模型网格划分4 6 图4 3 隧道开挖零时刻位移图4 6 图4 4 导洞开挖围岩位移图4 7 图4 5 开挖右导洞围岩位移图4 7 图4 6 开挖左导洞围岩位移图4 7 图4 7 开挖右洞拱部土体围岩位移图4 7 图4 8 开挖右洞核心土体围岩位移图4 8 图4 - 9 开挖左洞核心土体围岩位移图4 8 图4 1 0 特征点示意图4 8 图4 1 1a 、b 点沉降百分比图4 9 图4 一1 2a 点沉降量随旖工步骤变化关系图4 9 图4 1 3b 点沉降量随施工步骤变化关系图4 9 图4 1 4 中导洞拱顶模拟计算结果5 0 图4 1 5 中导洞拱顶量测结果5 0 图4 1 6 挖中导洞围岩应力图厶5 l 图4 1 7 中导洞围岩应力放大图5 1 图4 1 8 开挖右导洞围岩应力图5 1 图4 1 9 开挖左导洞围岩应力图5 1 图4 2 0 开挖右洞拱部土体围岩应力图5l 图4 2 1 开挖左洞下部核心土体围岩应力图。5 1 图4 2 2 特征点示意图5 1 图4 2 3 喷层及中隔墙主应力图5 2 图4 2 4 喷层及中隔墙第三主应力图5 2 图4 2 5 锚杆的应力图5 2 图4 2 6 中墙应力变化曲线一5 4 图4 2 7 二衬结构位移图5 5 图4 2 8 二衬结构第一主应力5 5 图4 2 9 二衬结构第三主应力。5 5 图4 3 0 中导洞角隅处塑性区_ ：5 7 图4 3 1 塑性区放大图5 7 图5 1上坡隧道三维计算模型5 8 图5 2开挖中导洞围岩位移图5 9 图5 3开挖中导洞围岩位移局部放大图6 0 图5 4中导洞洞口位移放大图。6 0 图5 5 浇筑中隔墙围岩位移图6 0 图5 6 浇筑中隔墙围岩位移放大图6 0 图5 7 三导洞贯通后围岩位移6 0 图5 8 开挖右导洞围岩位移6 0 图5 - 9 开挖右洞拱部土体围岩位移6 0 图5 1 0 开挖左洞拱部土体围岩位6 0 图5 1 1 贯通右洞后围岩位移6 1 图5 1 2 隧道贯通围岩位移图6 1 图5 1 3a 点沉降和施工进尺关系6 1 图5 1 4 右洞开挖对b 点影响6 1 图5 15 右洞开挖对c 点影响6 2 图5 1 6 开挖中导洞围岩应力图2 6 图5 1 7 中导洞洞口应力放大图6 2 图5 - 1 8 开挖右导洞围岩应力图6 2 图5 1 9 开挖左导洞围岩应力图。6 2 图5 2 0 右洞拱部土体开挖围岩应力。6 3 图5 2 l 左洞拱部土体开挖围岩应力6 3 图5 2 2 隧道右洞核心土体开挖围岩应力图6 3 图5 2 3 隧道左洞核心土体开挖围岩应力图6 3 图5 2 4 左洞开挖对d 点应力影响关系曲线。6 3 表格清单 表1 1分离式独立双洞最小净距1 表1 2国外进行围岩分类4 表3 1 设计隧道参数表2 2 表3 2 三种开挖方法施工工序2 4 表3 3模型计算参数2 5 表3 4 三种开挖方法围岩位移图2 6 表3 5喷层、中墙、仰拱应力及锚杆轴应力计算结果3 8 表3 6 计算模型参数4 1 表4 1计算模型参数4 5 表4 2各个施工阶段喷层、中隔墙、锚杆应力值5 3 表4 3 喷层叽应力图( m p a ) 5 3 表4 4f 点应力发生率5 4 表4 5围岩应力及位移计算结果5 6 表4 5围岩应力及位移计算结果5 6 表4 6 支护结构应力计算结果5 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金g 垦王些厶堂 或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 凡六群签字日期：力甜年衫，月口了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金避王些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采片i 影印、缩e l r 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：f 己大林 签字日期：2 所僻6 如，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： ，j 豸吞 签字荔必年石月j 厂日 电话： s s 赔0 1 邮编： 致谢 本文是在我的导师方诗圣教授的精心指导下完成的，在此向我的导师表示 由衷的感谢。 在我的整个研究生学习过程中，方老师一直给予我无微不至的关怀和毫无 保留的指导，提出许多宝贵的意见和建议。导师渊博的学术知识、严谨的科研 态度、脚踏实地的做事风格和诲人不倦的治学精神都在潜移默化的感染着我， 使我受益匪浅，不仅是我工作和学习的榜样，也使我懂得许多做人的道理。 感谢土建学院的领导和老师，特别是王建国教授，在生活和学习上的关心 和指导。 在几年的研究生学习生活中，从众位师兄弟那里获益良多，特别是我的同 学丁仕洪、柳彬彬给了我很多帮助，在此向他们致以诚挚的谢意。 在十几年的求学过程中，我的父母和哥哥为我付出了很多，他们永远是我 不断前行追求进步的动力。 作者：凡大林 2 0 0 7 年1 2 月0 6 日 第一章。绪论 1 1 研究背景及选题依据 我国是一个多山的国家，7 5 左右的国土是山地或重丘【l 】。尤其在交通尚不 发达的中西部内陆地区，山陵重丘、山脉较多，要完成国家高速公路网规划 【2 】中的目标需修建大量的国家高速公路，高速公路的穿山越岭是无法避免的。 公路隧道作为公路穿山越岭的主要形式，必然会随着我国未来公路的大规模建 设，而得到广泛的应用和迅速地发展。而公路隧道不管是设计还是施工还有许 多亟待解决的难题。 公路隧道型式的选择不但受到地形、地质条件的约束，还要考虑路线平、 纵、横技术指标以及三者组合设计的制约。在地形、地质条件允许的情况下， 高速公路、一级公路的隧道应设计为上下行分离的独立双洞，分离式双洞的最 小净距按两洞结构彼此不产生有害影响的原则，结合隧道平面线形、围岩地质 条件、断面形状和尺寸、施工方法等因素确定，一般情况根据按公路隧道设计 规范( j t gd 7 0 2 0 0 4 ) 【3 】按表1 - 1 取值。一座分离式双洞隧道，可按其围岩代表 级别确定两洞围岩最小净距。 图1 - 1 隧道设计最小狰距示意图 表1 1分离式独立双洞最小净距 围岩级别i h ivv i 最小净距l ( m ) 1 o b 1 5 b2 0 b2 5 b 3 5 b4 o b 注：b 一隧道开挖断面的宽度 但在地形陡峭、脊谷相间的“鸡爪 地带，分离式隧道很难满足中两洞围 岩间距的要求【3 1 。为了保证线路方案的技术指标、保证隧道施工安全和质量， 在桥隧相连、隧道相连等地形条件限制的特殊地段隧道不能满足表1 - 1 的要求 时可采取小净距隧道或双连拱隧道。 小净距隧道是指并行双洞公路隧道间夹岩石厚度较小，一般小于1 5 倍隧 道开挖断面宽度的一种特殊隧道结构型式，小净距隧道具有接线、展线难度低 的特点，但是小净距隧道施工难度大，为了确保开挖过程中围岩的稳定性，减 小因隧道净距小引起的围岩变形、爆破震动等不利因素的影响，必须满足小净 距隧道中夹岩特有的加固要求，特别是对于软岩，投资将大幅度增加【4 j 。借鉴 福建省高速公路建设指挥部与重庆交通科研设计院京福高速公路福建段小净 距隧道设计、施工关键技术研究【5 】的成果，采用i 、i i 、级围岩比例进行 控制：当i 、i i 、i 级围岩占小净距隧道总长的8 0 以上时，双洞最小净距不 宜小于0 3 b ；当i 、i i 、级围岩占小净距隧道总长的5 0 - 8 0 时，双洞最小 净距不宜小于0 5 b ：当i 、i i 、级围岩占小净距隧道总长的5 0 以下时，双 洞净距不宜小于0 7 5 b ；当双洞最小净距小于0 3 b ；宜与连拱隧道比选。 连拱隧道严格地说是隧道侧墙相连，它是公路建设中为了满足某些特殊地 形地质条件而提出的新型大跨度隧道型式，和分离式单洞隧道相比具有以下优 点【6 】： 避免了洞口路基分幅，与洞外接线顺畅，减小了占地面积。 在傍山和垭口地形有利于洞口位置选择，并缩短隧道长度。 避免了隧道洞口特大桥分幅，特别是跨河大桥，降低了桥梁施工费用 和难度。 城市中连拱隧道的采用可以大大减少拆迁，降低工程成本。 从目前使用看，连拱隧道主要用在山区洞口地形较为狭窄或桥隧相连地段， 其最大优点是双洞轴线间距可以较小，可减小占地，便于洞外接线。同时，连 拱隧道较独立的双洞设计、施工更为复杂，工程造价更高、工期更长，从各地 采用连拱隧道的经验看，主要用在5 0 0 m 以下的隧道居多，1 0 0 0 m 以下的中隧道也 偶有使用，如浙江温州尖牛山隧道长7 0 0 m ，而长和特长隧道一般不采取这一结 构形式，但在洞口狭窄地段也可采用从连拱隧道过渡到小净距和独立双洞的隧 道，如重庆菜袁路龙家湾隧道长7 6 2 m ，就采用了从连拱到小净距和独立双洞的 结合形式。但总体上看连拱隧道主要宜用于中、短隧道【7 1 。 连拱隧道因其结构的特殊性和设计施工技术的复杂性，在支护结构参数设 计、施工开挖方法衬砌结构的长期安全性等诸多方面存在尚未彻底解决的技术 问题。加之我国目前缺乏可借鉴的设计、施工经验，已建成的很多连拱隧道在 施工过程中均不同地出现了开挖过程中围岩坍塌，以及已修筑的衬砌产生大面 积裂缝等问题【8 】，基于这一背景，本文以双连拱隧道作为主要研究对象对连拱 隧道的施工过程进行数值模拟分析。 1 2 连拱隧道需要解决的技术难题 目前连拱隧道急需解决的技术问题主要有： 2 ( 1 ) 虽然我国连拱隧道在建及拟建的总量居世界第一，但施工方法单一，绝大 多数采用三导洞施工方法。而三导洞法建造工序繁琐，影响工期和造价。 如何在确保安全稳定的前提下减少施工工序和缩短工期： ( 2 ) 岩体初始应力场一般仅考虑其自重应力，应同时考虑构造应力的影响； ( 3 ) 在既有隧道旁修建新隧道，而又不影响隧道正常运营时，中隔墙的施工变 得非常困难； ( 4 ) 进一步对双连拱隧道进行三维非线性弹塑性、粘弹塑性等的数值模拟分 析，以便更准确的预测施工过程的力学动态； ( 5 ) 导洞常为狭高结构，抵抗侧压的能力差，导洞拱腰部位发生较大变形，施 工中如何选择受力合理的导洞结构形状： ( 6 ) 修筑大跨度的隧道，二次衬砌紧跟是非常重要的，衬砌过于紧跟又不利于 初期支护的柔性变形，如何正确处理好初期支护和二次衬砌的关系； ( 7 ) 如何尽量降低后开挖隧道的爆破膜动对先开挖隧道围岩和支护的影响； ( 8 ) 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，保证隧道 施工时中隔墙具有足够的承载力和稳定性； 1 3 连拱隧道施工研究现状 1 3 1国外公路连拱隧道施工分析研究现状 国外连拱隧道建设始于3 0 年代末4 0 年代初，最早在欧美等国建造，盛于 7 0 年代末8 0 年代初【9 】。德国h a n n o v e r - w u e r a b u r g 铁路线全长3 2 8 k m ，其中 4 6 为隧道，而隧道之中近乎2 0 为连拱，其中最著名的连拱隧道长达5 1 0 0 m 。 双连拱隧道在日本是从1 9 7 4 年在伊祖隧道首次采用的，到目前为止，日本约有 3 0 多座。b i z j a k ，k a r m e nf i f e r ，p e t k o v s e k 对斯洛文尼亚的t h eg o l o v e ct u n n e l 施工过程中支护的位移和应力进行了监测，并用有限差分法对其进行了模拟得 出隧道地表的最终沉降量的最重要的影响因素是支护的施作时间和主要支护的 刚度i l0 1 。新东一名神高速公路有一个非常大的，隧道截面大约1 9 0 平方米开挖 面积，而开挖的宽度大约为1 8 米，m i u r a ，k a t u s h i ：y a g i ，h i r o s h i ：s h i r o m a ， h i r o m i c h i 等人结合该隧道对在不同地质条件下的大断面隧道的开挖和施工提 出了些独到的见解【u 1 目前，许多国家的隧道施工都采用新奥法，这主要是因 为新奥法能够适应不同的地质条件，而且其对工程机械的要求也比较简单，但 是新奥法设计隧道主要采用经验类比的方法，这种方法必须随监测数据而不断 调整，工程施工过程中主要是凭借经验通过调节隧道掘进速度、开挖面与支撑 之间的距离、台阶开挖、及时的闭合仰拱等来调整隧道开挖造成的位移，d e f a r i a s ，m a r c i om u n i z ，m o r a e sj r ，a l v a r oh e n r i q u e ：d ea s s i s ，a n d r e p a c h e c o 使用有限元方法建立三维分析模型分析了这些手段在控制最终沉降的 作用上的相对重要性【1 2 】。模拟计算通常采用二维平面计算来简化计算，这种分 析在计算上是廉价，而且有益于对敏感性问题，施工方法的影响的评估，但是 3 其参数的选取在许多情况下，选择参数值是任意的，往往没有充分说明，也没 有考虑时间因素的影响，s h i n ，j h ：p o r t s ，d m 在【1 3 】中提出替代二维的方 法称为”基于时间的建模方法”的建议，以解决此问题c h o i ，s u n g0 ：s h i n ， h e e - s o o n 就h b 隧道发生的事故提出修建隧道时其支撑系统也应该随隧道开挖 地质条件的变化而不断优化【1 4 】。k a r a k u s ，m ：f o w e l l ，r j 针对不同方法推 进掌子面所引起的沉降进行了有限元数值模拟【l 引。f u e g e n s c h u h ，n o r b e r t ： a r n o l d ，j o s e f 结合e g g et u n n e l 介绍了新奥法对工程地质条件和水文地质条 件的良好适应性，并介绍了钢筋混凝土二次衬砌无防水膜的施工过程【l 6 o m e 隧道是一个在浅层疏松地面开挖的大断面的公路隧道开挖面积在2 2 0 2 6 0 平方 米，由于隧道通过密集的住宅区，因此必须严格地控制地表沉降为此在施工中 采用了大量的施工配套方法如大跨度钢管桩等保证了地表沉降在控制之内 【17 1 。就连拱隧道施工工艺及设备水平而言，欧美、日本等发达国家具有较高的 水平，主要表现在【1 8 , 1 9 j ： ( 1 ) 隧道围岩分类 国外进行围岩分类时，见表1 - 1 在开挖顺序、机具选择、爆破方法等各个 方面都要综合考虑，用于不同目的分类，多种多样。地下水的存在直接影响围 岩的力学性能，也是隧道病害的主要原因之一，国外围岩分类方法中对地下水 都作了定量规定，且都考虑工作面开挖对围岩性能的动态影响，故围岩分类较 为准确，对隧道的设计和施工起到较好的指导作用。 表1 - 2 国外进行围岩分类 。 分类方法特点 普氏分类法以岩石坚固性系数分类 太沙基分类方法将岩体分成九类 目前国外应用较为普遍，考虑因 比尼奥斯基节理岩体 素比较全面，不足之处没有考虑围岩 应力，不适合于挤压、膨胀和涌水影响 造成的极其软弱岩体分类 岩体质量指标分类，该法是目前 巴顿分类法普遍采用的岩体分类，特别适合于软弱 风化岩体的围岩分类 岩体结构评价分类，目前国外普 威克姆围岩分类法 遍应用 日本池田和颜的分类法隧道围岩强度，主要是根据弹性 波速传播的速度进行的分类 ( 2 ) 连拱隧道的施工 由于围岩产状的影响，围岩施加在衬砌上的荷载容易使衬砌结构出现偏心， 4 因此在国外计算时常考虑围岩产状的影响，数值分析常常采用三维模拟，分析 结果较为接近实际情况。 1 3 2 我国公路连拱隧道的施工研究状况 1 3 2 1 我国公路连拱隧道的施工状况 我国连拱隧道的应用较晚，自1 9 9 3 年广州白云山连拱隧道建成通车以来， 在高速公路和高等级公路的特殊地段得到大量的应用。尤其是最近几年，我国 的高速公路建设飞速发展，相继修建了许多大跨连拱隧道。如京珠国道主干线 广东省内韶关甘塘至翁城段高速公路上的最大开挖宽度达3 2 5 m 的六车道连拱 隧道一一五龙岭隧道【2 0 1 ，广惠高速公路小金口双连拱隧道【2 1 1 ，福泉高速公路上 的相思岭隧道【2 羽，四川省宜水高速公路鞋底坡双连拱隧道【2 3 1 ，云南元磨高速公 路上的桥头隧道【2 4 1 ，安徽的第一座连拱隧道一一马鞍山至芜湖。高速公路上的黄 梅山高速公路【2 5 1 ，云南省玉元高速公路上的练江连拱隧道【2 6 1 。殷家岩双连拱隧 道设计【2 7 】，青岛至银j i i 国道主干线山西省汾阳至离石段的黄土连拱隧道一一离 石隧道【2 8 1 ，位于桂林至梧州高速公路钟山至马江段的客塘隧道【2 9 1 ，以及安徽省 桐一黄高速公路上修建了一系列的连拱隧道如坞石隧道、上坡隧道、焦家山隧道 在盘 号子0 国内最早关于连拱隧道( 地下结构) 的研究始于2 0 世纪9 0 年代。1 9 9 1 年5 月， 北京市第四市政工程公司与北京市市政工程研究院、铁道部隧道工程局设计院 等单位紧密合作，开展城市排水隧道三跨连拱结构暗挖工法研究，工程和实验 研究工作于1 9 9 1 年5 月正式开始，1 9 9 1 年1 2 月1 日完成【3 0 1 。近年来随着双连拱隧 道应用的日益广泛，对双连拱的研究也日益增多。现在国内对双连拱隧道施工 技术和施工工艺研究研究有：温亚东针对隧道所处工程施工条件，阐述连拱隧 道单口掘进采用的辅助施工措施、施工方法和连拱隧道中隔墙防排水施工f 3 1 】： 赵树云结合客塘双跨连拱隧道的施工经验，阐述高速公路双跨连拱隧道应用三 导洞法掘进及初期支护的施工工艺，以及监控量测在施工中的应用f 2 9 1 ；汪汉生 结合云南元磨高速公路忠爱桥隧道施工实践，介绍连拱隧道i i 类软岩浅埋段的 施工工艺和施工方法【3 2 1 ，汤海岩结合太( 原) 长( 治) 高速公路范家岭3 号双连拱 公路隧道北口堆积体段应用超前大管棚进行支护，通过对监控、量测结果的分 析，总结了大管棚支护技术在通过软弱围岩时的作用【3 3 1 。郭锋生论述了新奥法 施工主要抓紧的重点环节以及采用新技术、确保隧道施工安全的主要技术措施、 环境保护以及隧道施工关键技术研究课题等方面【3 4 1 。赖金星、谢永利、李华介 绍了黄( 陵) 延( 安) 高速公路羊泉沟隧道类围岩段采用的双连拱隧道无中导洞 施工技术，及施工中采用的排水临时支护和现场监控量测等工艺，为无中导洞 施工双连拱隧道提供了一个成功实例【3 5 】。马海君阐述了隧道围岩监控量测技术 的实旋内容、方法和要求，介绍了隧道围岩监控量测在宛坪高速公路大跨度连 拱隧道中的应用情况，为围岩监控量测提供了参考【3 6 1 ；张和平介绍了八字岭隧 5 道套拱式连拱段的施工方法和施工工艺f 3 7 】。刘洪良介绍了利用注浆技术有效固 结松散体，防止二次滑坡1 3 引。 1 3 2 2 对隧道施工过程进行力学分析、围岩稳定性分析、优化分析研究状况 其研究方法主要分为两类：数值模拟方法和试验的方法。 目前的数值模拟多以科研院所和高校以有限元方法进行的数值模拟为主。 国内外学者运用数值模拟方法在连拱隧道方面的主要研究有：韩兴广结合靖宇 龙岗隧道用有限元方法模拟洞室开挖及支护前后围岩的应力、应变情况并基于 格里菲斯理论和断裂力学应力强度准则，对裂纹分布和扩展规律进行研究，揭 示了应力特征与裂纹间的共同规律及内在联系【3 引。吴翔天对秦岭i 号隧道工程 的典型区段进行三维非线性有限元分析，得出拱腰部位出现应力集中，最大值 出现在距拱腰1 3 处，拱顶应力为最小；开挖、支护完成后拱顶部位位移最大， 拱腰次之，拱脚最小的结论【4 们。夏永旭、王文正、胡庆安通过对类围岩双连 拱隧道不同施工环节围岩压力释放率的研究，围岩应力释放率对围岩的应力影 响不明显，但位移随应力释放率的增加而增大。初期支护对地应力的瞬间释放 率比较敏感，特别是描杆应力变化较大。中隔墙对地应力的瞬间释放率敏感程 度较小，且最终应力随应力释放率的增加而略有降低【4 1 1 。杨建民采用a r c z 有 限元程序将万梁高速公路金竹林双连拱隧道结构简化成直杆杆系结构用矩阵位 移法进行了二维分析，得出了结构的内力、位移、和安全度【4 2 1 ；夏才初、刘金 磊采用有限元程序和荷载一结构模式对福泉高速公路相思岭双连拱隧道结构进 行了二维分析，得出结构的内力大小与弹性抗力系数的取值大小密切相关的结 论【4 3 】；陈少华、李勇采用2 d 一盯有限元程序和围岩与支护结构的连成模式对同 三线黄云岭双连拱隧道各个施工阶段围岩的稳定性、初期支护和二次衬砌的受 力状态等进行了二维分析，得出了为使结构应力分布合理，初期支护和仰拱应 尽早施做的结论【4 4 1 。周玉宏、赵燕明等采用a n s y s 有限元程序和围岩与支护结 构的连成模式对云南元磨高速公路桥头偏压双连拱隧道三种不同施工顺序进行 了二维分析，得出先开挖外侧主洞，后开挖内侧主洞的合理施工顺序【4 5 】；彭定 超、袁勇等采用了a n s y s 有限元程序和围岩与支护结构的连成模式对万梁高速 公路金竹林双连拱隧道中墙在施工全过程中的力学行为进行了三维有限元分 析，得出整个施工过程中墙一直处于偏压状态以及中墙的应力和位移分布规律 【4 6 1 。日本的上川裕之、大本英辉、武藤修之等采用二维有限元软件对大代古 填超大断面的市区双连拱隧道的各种可能的施工方法进行了有限元分析，最后 得出了大代古填隧道先填后挖的施工方法；市橘清功、佐藤映松、松丢刚等对 九里滨田浦线的阿部仓双连拱隧道的施工方法、结构形式、加固区范围和爆破 的设计参数等进行了数值模拟，得出了阿部仓双连拱隧道的优化方法、结构形 式、加固区范围和爆破参数：石川靖治、上村正人、米田裕树、中川浩二采用 二维有限元程序对北九州市的下到津超大断面的市区双连拱隧道进行研究，经 6 过研究将整体式中墙结构修改为分片式中墙结构；松田哲夫、璺里檠吉、五十 崴瑞穗等采用二维有限元程序对第二神明高速公路改建工程中的小束山双连拱 隧道进行研究，得出了中墙荷载与隧道埋深以及围岩等级之间的关系；宫野前 俊一、森田篇、梨本裕阴顺一等采用二维有限元程序对双连拱和小间距隧道 进行了比较研究，提出了不同围岩条件下应选择的合理隧道结构形式。不但在 双连拱隧道方面，在三连拱等多连拱结构也有不少的研究，如张胜、王文通 采用二维有限元程序将结构简化成直杆杆系结构对福州市的象山四连拱隧道进 行了研究，得出了结构的内力大小和分布；日本的五十崴、山崎刚采用二维有 限元程序对特殊的三连拱盾构隧道进行了研究，得出了结构内力及地层应力、 应变等结论，为特殊的三连拱盾构隧道的理论研究做出了贡献e 8 。 在连拱隧道现场试验方面国内外学者已经做了很多的工作：铁道部十四工 程