浅埋软塑粘土地层地铁四联拱大断面施工模拟及稳定性分析课件

1、2013年度优秀科技论文（技术总结） 浅埋软塑粘土地层地铁四联拱大断面施工模拟及稳定性分析浅埋软塑粘土地层地铁四联拱大断面施工模拟及稳定性分析内容提要：哈尔滨地铁一号线二期工程哈尔滨南站站哈达站区间与哈南停车场出入场线区间平交部位设计为四联拱断面，设计长度83m，断面最大宽度27.56m，高度8.42m，采用双侧壁+中导坑法施工，四联拱段结构受力复杂、施工工序多、干扰大、工期紧、施工风险极大。本文重点对大断面连拱隧道施工过程的数值模拟、模拟结果和稳定性进行了分析，并与施工监测成果进行分析比较。关键词：浅埋 软塑粘土地层 地铁区间 四联拱 大断面施工1 引 言近些年来，国内出现了大量的大跨度隧道

2、和连拱隧道，其中包括德国瓦尔德克H水电站地下厂房和我国广州环城公路白云隧道宽度达31.5m和福州象山四连拱隧道宽度达35.4m。20世纪80年代以来，我国先后修建了一些大跨铁路隧道，但由于当时经济技术条件的限制，修建水平总体不高，从设计及施工角度来看，可供借鉴的经验不多。进入21世纪以来，我国相继已经修建了不少连拱隧道工程，但这些连拱隧道存在着工期长、设计繁琐、施工要求高等特点，因此有必要对连拱隧道的设计与施工作进一步的深入研究。2.工程概况2.1概述哈尔滨地铁哈尔滨南站站哈达站区间属于哈尔滨地铁一号线南延伸段工程，位于哈尔滨市主干道学府路正下方，哈尔滨南站到省农科院之间，施工方法采用浅埋暗挖

3、法施工，结构底板埋深约16.026.0m。在本区间设有哈南停车场出入线，该出入线为双线，从哈达站南端引出，夹于两正线间并行一段后，上跨下行正线沿规划伊春路西行，接哈南停车场。四连拱段采用双侧壁+中导坑法施工，断面最大开挖宽度27.557m，开挖高度8.420m，开挖面积达216.815。四连拱段最小埋深约为8.7m，与开挖高度基本相当，属于浅埋隧道。隧道中心线与规划道路基本平行。根据相关规范，工程安全等级为一级；场地复杂程度等级为中等。本工程重要性等级为一级，场地复杂程度等级为二级，地基复杂程度等级为二级。2.2工程地质和水文地质条件根据钻探揭示及对地层成因、年代的分析，四连拱段地层主要由第四

4、纪全新世人工堆积层（Q4ml）、上更新统哈尔滨组地层（Q32hral）、中更新统上荒山组地层(Q22hl)、下荒山组地层（Q21h lal）组成，岩性为粉质粘土、砂类土。粉质粘土层具有弱湿陷性。围岩等级为级。 图2.1 哈尔滨地铁一期工程四连拱段土质状况四连拱段地层从上到下依次为杂填土（）、粉质粘土（）、粉质粘土（）、粉质粘土（2）、粉质粘土（）、粉质粘土（4）。本区间地下水主要赋存于冲洪积地层内，水温1214。含水层主要为孔隙潜水，稳定水位标高约108.84114.13m，埋深30.5064.90m。地下水埋藏较深，对区间施工没有产生影响。地下水补给来源为地下径流、河流侧渗和大气降水。3.隧

5、道施工过程哈尔滨地铁四连拱断面采用双侧壁中导坑法施工。双侧壁中导坑法又称“眼睛工法”，是大断面隧道和不良地质隧道施工中为控制围岩变形经常用到的一种方法。这种方法适用于级围岩双线或多线隧道。由于隧道跨度较大，采用全断面开挖法或者台阶法很难保证工程的安全性，因此，先开挖两侧导坑，及时进行支护，然后再根据断面及地质情况对剩余部分分若干次进行开挖。这种施工方法具有地面沉降小，施工过程安全性高等优点，但施工过程繁琐，进度慢，适用于地面变形要求高、地质条件差的大跨度隧道施工。本工程四线隧道跨度大、环境要求高，采用双侧壁中导坑法施工，具体施工步骤如下：第一步：先进行拱部小导管注浆超前支护，在完成超前支护后，

6、采用CRD法分别施工左、右两个隧道侧导洞，并施做初期支护；图3.1 第一步开挖示意图第二步：在采用上下导坑法施工中导洞，并施做初期支护；图3.2 第二步开挖示意图第三步：在三个隧洞内铺设防水层、混凝土保护层，并施做二次衬砌，然后在中洞拱部回填混凝土；图3.3 第三步开挖示意图第四步：自上而下分步开挖左右导洞导坑与中导坑间隔内隧洞导坑，先开挖左上、右上导洞，并施作初期支护，待初期支护收敛稳定后，在初期支护背后注浆，使初期支护与地层密贴；图3.4 第四步开挖示意图第五步：分步拆除左上、右上导坑部分初期支护，并铺设防水层，施做二次衬砌；图3.5 第五步开挖示意图第六步：分步施工左下、右下导洞，并施做

7、初期支护；图3.6 第六步开挖示意图第七步：分步拆除左下、右下导坑部分初期支护，并铺设防水层、混凝土保护层，再施做二次衬砌，使仰拱、拱部、边墙封闭成环，在拱部二次衬砌预留压浆孔，保证初期支护与二次衬砌之间密实，然后进行隧底回填（仰拱作业）。图3.7 第七步开挖示意图4. 大断面连拱隧道施工模拟分析4.1隧道施工过程模拟由于隧道断面比较复杂，采用平面模型进行分析。模型采用四节点平面单元plane42模拟围岩及二次衬砌，一次衬砌采用两节点杆单元Beam3单元模拟。由于开挖步骤较多，上下行线及中导坑均按照全断面开挖法模拟。利用单元生死功能EKILL，及EALIVE模拟隧道的开挖与支护。运用ANSYS

8、的自由网格功能划分网格共生成1827个节点，2033个单元。划分网格后的模型如图4.1所示：图4.1 模型网格划分及约束图在正式开挖前先求解自重应力场.对所有Plane42平面单元赋予材料一属性，即围岩属性.对所有Beam3单元,包括一次衬砌和临时支撑赋予“死”属性。对模型左右边界施加X方向的约束，下边界施加Y方向的约束，然后施加自重荷载。求解得出自重应力作用下的位移及应力如图4.2所示.a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.2自重应力作用下的应力与位移图第一步：开挖上下行线隧洞并施作初期支护，变更上下行线超前小导管加固区材料类型为加固后材料，对上下行线

9、开挖区所有单元及上下行线二次衬砌对应位置围岩单元赋予“死”属性，施加自重荷载的50%，第一步求解。a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.3第一步开挖后的应力与位移图第二步：开挖中导洞，并施作一次衬砌与临时支撑，变更中导洞超前小导管加固区材料类型为加固后材料，对中导洞开挖区单元赋予“死”属性，对中导洞一次衬砌赋予“生”属性，施加自重荷载的50%，第二步求解。a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.4第二步开挖后的应力与位移图第三步：施工上下行线及中导洞二次衬砌，对上下行线及中导洞二次衬砌单元赋予“生”属性，对中导洞填充

10、区赋予“生”属性，施加自重荷载的80%，第四步求解。a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.5第四步开挖后的应力与位移第四步：开挖左右导洞上台阶，并施作一次衬砌，对左右导洞上部开挖区单元赋予“死”属性，对左右导洞一次衬砌及临时支撑赋予“生”属性，施加自重荷载的50%，第四步求解。a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.6 第四步开挖后的应力与位移图第五步：拆除左右导洞上台阶临时衬砌，施作二次衬砌，对上下行线上部及中导洞上部临时一次衬砌单元赋予“死”属性，对左右导洞上部二次衬砌单元赋予“生”属性，施加自重荷载的80%，第

11、六步求解。a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.7 第五步开挖后的应力与位移图第六步：开挖左右导洞下台阶，施作一次衬砌，对左右导洞下部开挖区、上下行线下部及中导洞下部临时一次衬砌单元赋予“死”属性，对左右导洞下部一次衬砌单元赋予“生”属性，施加自重荷载的50%，第六步求解。a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.8 第六步开挖后的应力与位移图第七步：激活剩余二次衬砌单元，施加自重荷载的80%，第七步求解。a. X方向位移图b. Y方向位移图c. X方向应力图d. Y方向应力图图4.9 第八步开挖后的应力与位移图4.2

12、模拟结果分析4.2.1位移分析图4.24.9为四连拱隧道双侧壁中导坑法施工过程中各分步产生的位移及应力云图。各分步产生的最大位移及应力列入下表：表4.4 施工过程产生的最大位移及应力施工步骤UX(mm)UY(mm)SX(MPa)SY(MPa)1-0.18-37.3-3.92-7.802-0.30-6.60-0.81-1.573-0.55-10.06-1.28-2.344-0.55-10.17-2.40-4.845-0.56-10.59-1.30-2.336-0.64-11.51-2.56-2.387-0.64-11.63-1.43-2.378-0.64-11.96-6.21-1.08表中结果显

13、示，隧道开挖过程中产生的位移不足自重产生位移的三分之一，横向位移远小于竖向位移，可以忽略。竖向位移中约有80%在上下行线及中导洞开挖和一次衬砌、二次衬砌施工完成之前产生，双侧壁中导坑法施工过程中围岩受到多次扰动，各步骤相互影响， 围岩应力多次扰动和重分布，导致施工后期围岩应力较前期显著减小，产生的变形效果也相应减小。在隧道上下行线开挖过程中产生的沉降具有对称性，但由于两隧道开挖时相互影响，地表最大沉降区域并不在隧道的正上方，而是偏向两隧道中部；隧道内最大沉降点位于隧道上方偏向内测。隧道中导洞的开挖产生的最大沉降点在中导洞正上方，对比上下行线开挖的位移云图可以发现，中导洞开挖对上先行线的影响小于

14、上下行线开挖对其产生的影响，究其原因，一是上下行线已经完成开挖与初期支护，围岩变形得到一定控制，二是上下行线开挖后应力重分布，致使中导洞开挖时应力减小，产生的沉降量也相应减小。观察横向位移可以发现，围岩最大水平位移位于隧道侧壁上下行线中间区域。由图4.5可以看出，上下行线及中导洞二次衬砌施工完成后，地表及围岩内部沉降量及水平位移显著减小，表明及时施作二次衬砌对控制围岩变形具有重要意义，二次衬砌完成后与一次衬砌共同作用，更能发挥衬砌材料的优良性能，尤其适用于软弱围岩中。综合分析图4.64.9可知，二次应力重分布后，由于衬砌强度较高，承担了大部分应力，同时由于超前小导管的支撑作用，左右导洞的开挖产

15、生的位移更小，约占总位移量的20%，但这并不代表这一过程更安全，围岩相反由于受到多次扰动后，物理力学性能发生变化，粘聚力和内摩擦角可能相应的降低，因此，这一过程在实际工程中同样要引起重视。4.2.2应力分析对隧道工程施工过程中的应力分析有助于确定围岩与支护结构的应力状态，进而确定危险区域，对控制围岩变形，保证工程安全具有指导作用。第一步开挖后的1应力和3应力云图（图4.10）显示，1应力最大值位于超前小导管最外侧区域，由于超前小导管加固区域与为加固区域物理性能差别很大，因此在边界区域产生一定程度的应力集中现象，这一区域最大应力为1.22MPa。3应力最小值出现在上下行线的拱脚区域，尤其是内侧，

16、最小主应力为-1.58MPa。3应力最小值的绝对值明显大于1应力，布设锁脚锚杆可以有效地避免这一区域发生破坏。a 1应力图b 3应力图图4.10 第一步开挖后应力云图中导洞的开挖引起的应力变化并没有上下行线开挖时明显，1应力范围在-0.88MPa2.10MPa之间，最大值仍然出现在超前小导管边界区域，3应力范围在-2.45MPa0.28MPa之间，最小值同样出现在拱脚位置，隧道下部产生的应力大于上部的应力。a 1应力图b 3应力图图4.11 第二步开挖后应力云图图4.12显示，上下行线及中导洞二次衬砌支护完成后1应力最大值和3应力最小值均出现在中导洞二次衬砌中隔墙上，其中1应力最大值为3.68

17、MPa，3应力最小值为-4.89MPa。a 1应力图b 3应力图图4.12 第三步开挖后应力云图左右导洞上台阶开挖后1应力为-0.88MPa2.12MPa，3应力为-2.53MPA-0.27MPa。1应力最大值区域没有明显变化，3应力最小值区域位于隧道下方上下行线之间区域，控制了隧道底部变形对整个隧道施工过程具有积极意义。a 1应力图b 3应力图图4.13 第四步开挖后应力云图图4.14为左右导洞二次衬砌施工完成后以及相应区域临时衬砌拆除后的1应力和3应力云图。1应力范围-1.09MPa4.52MPa，最大值位于左右导洞衬砌结构上。3应力范围在-2.56MPa1.43MPa之间，隧道下方是3应

18、力绝对值较大区域。a 1应力图b 3应力图图4.14 第五步开挖后应力云图左右导坑下台阶开挖后，1应力较前没有太大变化，应力范围-0.95MPa2.39MPa。3应力最小值区域缩小，主要集中在左右导洞与上下行线连接处的拱脚。a 1应力图b 3应力图图4.15 第六步开挖后应力云图整个隧道施工完成后，1应力较大值区域明显减小，主要集中在左右导洞下部衬砌上，最大值为8.85MPa，表明施工完成后结构受力均匀，形成整体结构，整个围岩-支护体系进入正常工作状态。3应力表现出同样变化，最小主应力位于左右导洞下部衬砌部分区域，应力范围-1.20MPa1.82MPa。由于施工过程中的应力变化较大，因此尽早实

19、现支护结构的完整性，使整个结构体系尽快达到平衡状态。同时图4.16还显示出尽早施作仰拱使衬砌结构闭合成环，更加有利于控制施工过程中产生的围岩变形。a 1应力图b 3应力图图4.16 第七步开挖后应力云图4.3模拟结论利用ANSYS11.0软件模拟了哈尔滨地铁四连拱段工程双侧壁中导洞法的施工过程，得出了各分步施工后的位移及应力状态。（1）水平位移在整个模拟过程中，水平位移最大值仅为-6.4mm，最大位移出现在上下行线中间的区域，最大水平位移在整个模拟过程中变化不太明显，可以认为水平位移在本工程中影响较小。（2）竖向位移竖向位移在分析过程中表现出了很强的规律性。由于模型与荷载及施工步骤具有对称性，

20、竖向位移也表现出对称性特点。在第一步，上下行线开挖后的竖向位移图中的数据显示，位移云图呈“W”形分布，“W”的两个尖角不在上下行线拱顶的正上方，而是位于上下行线内侧边墙处，由此判定，上下行线施工存在较强的相互影响。中导洞开挖后，位移云图由“W”形变为“U”形，最大位移点变为中导洞拱顶，最大值为-10.1mm，而开挖前最大竖向位移值为-5.6mm，几乎相差一倍。中导洞断面面积远小于上下行线，而且中导洞跨高比更小，中导洞开挖引起的位移小于上下行线开挖引起的位移，位移云图的变化进一步表明了此工程中不同隧洞开挖相互影响的程度。上下行线及中导洞二次衬砌施工完成后，竖向位移明显减小，沉降量小于前期沉降的1

21、0%。位移变化量的减小一方面是由于前期应力释放比例为50%，另一方面就是二次衬砌的支撑作用。左右导洞二次衬砌施作后的位移云图具有同样的特点。左右导洞的开挖对竖向位移的影响，一方面是因为隧道围岩经历多次应力重分布后，导洞周围围岩应力减小，另一方面是由于两侧均已完成支护，对围岩产生了有效的支撑作用。在整个模拟过程中，上下行线及中导洞的开挖过程产生的竖向位移占总位移量的80%，控制围岩变形，保证工程安全应以此阶段为重点监测对象。（3）围岩与支护应力应力是产生围岩位移的原因，同时围岩的位移又造成了应力的变化，了解围岩与支护结构的应力状态，即是掌握了围岩位移的原因。X方向的应力变化比较平稳，第一步开挖后

22、最大应力出现在上行线拱顶偏右侧区域，最大值为0.56MPa，为拉应力，最小值在下行线拱顶偏左侧超前小导管加固区边缘，最小值为-0.82MPa。其它区域X方向应力均较小，随着模拟的进行，X方向应力最小值一直位于下行线左侧区域，而最大应力则跟随施工位置移动，位于施工部位的围岩和衬砌结构上方，X方向的应力与X方向的位移变化规律基本一致，都具有变化值小和变化平稳的特点。Y方向的应力具有对称性的特点，最大应力在前期位于施工位置对应的拱顶的正上方，总的变化趋势是逐渐增大。最小值位于施工位置对应拱脚区域，但不包括上下行线外侧拱脚。拱顶大部分区域为拉应力，少部分为压应力，拱脚区域全比为压应力。施工完成后，拱顶

23、拉应力基本消失，仅在左右导洞下台阶衬砌位置有不规则的拉应力，除此以外，只是在隧道的正下方存在压应力。围岩的主应力1在施工过程中不同程度的存在局部拉应力，主要出现在隧道拱部支护结构及围岩上，随着分步进行的展开，拉应力区域逐渐减小，围岩及支护结构的受力状况得到改善。1在模拟过程中基本不存在拉应力，应力分布对称，最大压应力出现在拱脚位置。4.4大断面连拱隧道施工稳定性分析借助有限元分析软件ANSYS建立三维大断面隧道模型进行数值分析。模拟围岩、小导管加固区、锚杆加固区采用solid45单元，模拟初期支护和临时支撑采用shell63单元。使用ANSYS软件提供的“生”与“死”处理功能来模拟隧道施工的开

24、挖全过程。模拟隧道开挖大致分为以下几个步骤：第一步：求解自重应力场。第二步：下行线开挖到4m，施作初期支护及临时支护。第三步：下行线开挖到8m，上行线开挖到4m，施作初期支护及临时支护。第四步：下行线开挖到12m，上行线开挖到8m，施作初期支护及临时支护。第五步：下行线开挖到16m，上行线开挖到12m，施作初期支护及临时支护。第六步：下行线开挖到20m，上行线开挖到16m，施作初期支护及临时支护。第七步：上行线开挖到20m，施作初期支护及临时支护。其中，中行线及出入场线都没有进行开挖，洞内监测不能正常进行，目前得到的监测数据为上下行线开挖之后的数据，隧道模拟时，只对上下行线进行模拟。图4.17

25、 开挖洞室示意图运用ANSYS软件划分网格共生成10076个节点，8960个单元，划分后的网格如下图4.18所示：图4.18 模型网格划分示意图在开挖之前，需要求解自重应力场，下图4.19是X方向和Y方向的应力云图和位移云图。 a、 Y方向的应力云图 b、 Y方向的位移云图 c、 X方向的应力云图 d、 X方向的位移云图图4.19 自重下的应力与位移图（1）位移场分析进行上下行线隧道开挖的位移场如图4.204.25所示。 a、X方向的位移图 b、Y方向的位移图图4.20 第一步开挖的位移图 a、X方向的位移图 b、Y方向的位移图图4.21 第二步开挖的位移图 a、X方向的位移图 b、Y方向的位

26、移图图4.22 第三步开挖的位移图 a、X方向的位移图 b、Y方向的位移图图4.23 第四步开挖的位移图 a、X方向的位移图 b、Y方向的位移图图4.24 第五步开挖的位移图 a、X方向的位移图 b、Y方向的位移图图4.25 第六步开挖的位移图由隧道施工位移图分析可知：第一步开挖下行线之后，沿X方向的位移主要集中在下行线左右拱腰附近，左侧拱腰位移比较明显并向外扩张，在加固分界线位置最为明显，收敛最大值达到11.1mm，右侧拱腰位移向外扩张，并且范围比较大，紧跟掌子面；沿Y方向沉降最大值的位置发生在下行线正上方拱顶，且位于掌子面附近，沉降值为4.2mm，隆起最大值发生在洞口拱底中央位置，且附近区

27、域也出现隆起现象，隆起最大值为14mm，拱腰和拱脚位移变化较小。综上分析，由于断面采用全断面开挖，没有进行合理的分部开挖，导致位移变化较大。第二步开挖上下行线之后，沿X方向位移主要集中在上下行线左右拱腰附近，下行线的左侧拱腰位移继续向外扩张，而且逐渐向洞内发展，收敛最大值达到15.7mm，且上行线左侧拱腰位移也向外扩张，下行线右侧拱腰和上行线右侧拱腰位移向外进行扩张，并紧跟掌子面；沿Y方向的沉降最大值较第一步有所增加，但沉降最大值的位置仍然位于下行线正上方拱顶附近，且最大值逐渐向洞内转移，其沉降值为6.2mm，上行线正上方的拱顶沉降与下行线基本相似，隆起最大值位于下行线拱底中央位置，且向洞内转

28、移，隆起最大值为28.8mm，上行线拱底隆起与下行线相似，只是下行线早于上行线开挖，下行线变化值比上行线大，不过还是体现出上下行线变化的一致性。第三步开挖上下行线之后，沿X方向的位移仍然集中在上下行线左右拱腰附近，变化趋势与第二步相似，下行线左侧拱腰的变化最大，收敛值为17.5mm，且两洞的变化都在继续扩张并紧跟掌子面；沿Y方向沉降最大值的位置仍然位于上下行线正上方的拱顶附近，且沉降最大值向洞内发生转移，但沉降最大值比上一步所有减小，沉降最大值为6.0mm，隆起最大值在下行线拱底中央位置的洞口附近体现的最为明显，隆起最大值为35.1mm。第四、五步开挖之后，变化趋势与前两步相似，沿X方向的变化

29、继续增大，且最大值逐渐由下行线左侧拱腰转移到上行线右侧拱腰，收敛最大值为19.5mm，但两拱腰变化趋势基本相近；沿Y方向的变化继续增大，沉降最大值逐渐向掌子面附近靠拢，并且由下行线的拱顶转移到上行线的拱顶，沉降最大值为10.6mm，拱底的隆起范围也从洞口向洞内发展，隆起最大值位于下行线拱底中央位置的洞口附近，隆起最大值为42.5mm。第六步开挖之后，沿X方向最大位移基本没有变化，最大值位置仍然位于上行线右侧拱腰，收敛最大值为20.2mm，下行线左侧拱腰的收敛值为20.1mm，可以看出上下行线的收敛变化非常接近，两隧洞之间相互影响；沿Y方向的沉降最大值发生在上行线正上方拱顶附近，且位于掌子面附近

30、，其沉降值为9.4mm，隆起最大值由下行线拱底转移到上行线拱底，隆起最大值为45.3mm。在开挖过程中，X方向位移最大变化值在下行线左侧拱腰的洞口位置和上行线的右侧拱腰的洞口位置表现比较明显，各步开挖引起的位移变化如图4.26所示。图4.26 X方向位移变化图Y方向的拱顶最大位移值随着掌子面的开挖，最大值也跟着变化和移动，各步开挖引起的位移变化如图3.27所示。图4.27 Y方向位移变化图由图可知，无论是X方向的位移变化，还是Y方向的位移变化，在隧道开挖过程中，两个方向的变化都体现出了较强的对称性。（2）应力场分析隧道上下行线进行开挖的应力场图如图4.28图4.33所示。 a、1等值线图 b、

31、3等值线图图4.28 第一步开挖的应力图 a、1等值线图 b、3等值线图图4.29 第二步开挖的应力图 a、1等值线图 b、3等值线图图4.30 第三步开挖的应力图 a、1等值线图 b、3等值线图图4.31 第四步开挖的应力图 a、1等值线图 b、3等值线图图4.32 第五步开挖的应力图 a、1等值线图 b、3等值线图图4.33 第六步开挖的应力图应力分析可以及时发现围岩与支护结构的受力状态，主要是初期支护和临时支撑的变化状态，从而确保隧道工程的施工安全。由图4.344.36的应力云图分析可知：第一步开挖后，1主要出现在下行线洞内的拱顶、拱底和洞外的拱顶与临时支护交接处、拱底与临时支护交接的拱

32、脚处、左侧拱腰附近，拱底及拱顶出现的拉应力较为明显，而靠近掌子面的拱腰和拱脚压应力比较集中，1最大值为10.9MPa，由于临时支护与拱底交接处呈直角连接，导致应力过于集中；3主要出现在下行线洞内的拱顶与临时支护交接处、拱底与临时支护交接的拱脚处、左侧拱腰附近和洞外的拱顶、拱底，靠近掌子面的拱腰和拱脚压应力较为明显，3最大值为-20.7MPa，出现的位置在下行线右侧拱脚处。通过分析发现，无论是1还是3，应力变化最大区域都位于右侧拱脚处，确保临时支护与初期支护的衔接很重要，所以需要在该处布设锁脚锚杆控制该区域的破坏，其他容易破坏的部位也需要进行保护及作为重点监测对象。第二步开挖后，1主要出现的位置

33、与第一步相同，且下行线从范围和数值上进一步加大，上行线出现的位置与第一步下行线相同，不过产生的最大应力仍位于下行线的右侧拱脚处，且拱腰的应力变化掌子面附近比较明显。上行线应力变化之所以小于下行线是因为下行线早于上行线开挖，但从应力等值线图上看，上下行线的变化趋势非常相似；3主要出现的位置与第一步相同，变化情况类似于1，应力最大值的位置仍位于下行线右侧的拱脚处。第三步开挖后，1和3出现位置没有改变，且上下行线范围在继续扩大，1最大值和3最大值继续增大，出现位置仍然在下行线右侧的拱脚处，且上下行线产生的应力变化值逐渐接近。第四、五步开挖后，1和3出现位置没有改变，且上下行线的范围在继续扩大，而1最

34、大值和3最大值由小到大逐渐趋于稳定，出现的位置仍然在下行线右侧的拱脚处，。第六步开挖后，1和3出现位置没有改变，且上下行线的范围在继续扩大，1最大值和3最大值所有降低，1最大值为22.6MPa，3最大值为-30.7MPa，出现位置没有改变，且靠近掌子面拱脚变化较大。此时从整体上观察上下行线的应力云图，应力图呈现了一定的对称性。综上分析，模拟隧道施工过程中，上下行线呈对称性变化，靠近掌子面拱腰应力变化较大，并且需要监测的关键部位是拱顶、拱腰、拱脚和拱底。（3）初期支护位移场分析上下行线开挖过程中初期支护及临时支护位移图如下图4.374.40所示。 a、X方向位移图 b、Y方向位移图图4.34 自

35、重作用下的位移图 a、X方向位移图 b、Y方向位移图图4.35 第一步开挖的位移图 a、X方向位移图 b、Y方向位移图图4.36 第二步开挖的位移图 a、X方向位移图 b、Y方向位移图图4.37 第三步开挖的位移图 a、X方向位移图 b、Y方向位移图图4.38 第四步开挖的位移图 a、X方向位移图 b、Y方向位移图图4.39 第五步开挖的位移图 a、X方向位移图 b、Y方向位移图图4.40 第六步开挖的位移图由图的应力云图分析可知：随着上下行线的开挖，X方向位移主要集中在上下行线左右拱腰附近，且位移最大值逐渐向洞内转移，并靠近掌子面附近，发生位置在上下行线外侧的拱腰上，而且变化趋势向洞外扩张；

36、Y方向沉降最大值的位置位于上下行线正上方拱顶附近，且最大值逐渐向洞内转移，隆起最大值由下行线拱底中央位置转移到上行线拱底中央位置，在整个开挖过程中，位移图呈对称性变化。5 施工监测方法及其成果分析由于地下工程的受力特点及其复杂性，和半理论半经验设计方法存在的缺陷。掌握施工过程中的围岩及结构的变形状态对施工安全及控制施工成本具有重要意义。5.1监测成果分析本文选取XK1450断面为典型断面进行分析，该断面与前文ANSYS分析为同一断面。该断面采用双侧壁中导坑法施工施工进度为每天两个循环，每个循环0.5m，具体施工步骤实施时间如表5.1所示。表5.1 XK1450断面双侧壁中导坑法施工时间表日期施

37、工进度5月15日开挖下行线，并施作一次衬砌5月25日开挖上行线，并施作一次衬砌5月30日开挖中导洞，并施作一次衬砌6月3日施作上下行线及中导洞二次衬砌，并对中导洞上方区域回填混凝土6月8日开挖左导洞上半部，并施作一次衬砌与临时支撑6月13日开挖左导洞上半部，并施作一次衬砌与临时支撑6月17日拆除左右导洞上半部临时支护，施作二次衬砌6月21日拆除左右导洞下半部临时支护，开挖下半部土体，并施作一次衬砌6月26日施作左右导洞二次衬砌5.1.1地表沉降监测由于地表沉降监测点及隧道结构都具有对称性，故选取左半部分数据进行分析。由图5.1、图5.2以及表5.1分析可知：（1）该四连拱断面地表沉降最大点位于

38、下行线正上方的地表点S6（具体位置见图5.1），最大沉降量23,6mm；其次为左导洞上方地标点，最大沉降量17.8mm，中导洞对应地表沉降相对较小，为14.8mm。在隧道开挖20天的时候，距掌子面月3D，沉降量约占总沉降量的80%90%，20天以后变化趋于稳定。（2）上下行线开挖过程引起的地表沉降的相互作用及其影响。对地表沉降点S6影响最大的为上行线的开挖，其次为中导洞的开挖。上行线开挖时下行线地表沉降还未稳定，而中导洞及左右导洞施工时，S6沉降趋势已趋于平缓。（3）及时施作二次衬砌对控制地表沉降具有明显的作用。图5.1显示6月3日施作二次衬砌后S6、S7、S5曲线明显变缓。断面沉降曲线与沉降

39、槽曲线比较吻合。图5.1 地表沉降点随时间累积沉降值图5.2 开挖过程中断面累积沉降值5.1.2隧道收敛监测本文选用四连拱段隧道收敛点的布设位置为每一洞室两条测线，共十条测线。四连拱段的施工采用尽早施工二次衬砌，使二次衬砌与一次衬砌共同作用来控制围岩变形。因此隧道收敛以及拱顶沉降的测量工作在隧道开挖后，二次衬砌施工前按照1次/天的频率进行，因而仅能反映隧道施工初期的围岩与支护结构的稳定性状态。由图5.3可知，隧道收敛值变化较大时间为隧道开挖后五天内，五天以后收敛值变化趋于平缓，左右导洞收敛点在测量之初由于上下行线和中导洞都已开挖完成，两侧支护结构已无侧向受力，仅支撑上部围岩压力，收敛值变化较小。图5.3 隧道收敛变化曲线图5.1.3拱顶沉降监测拱顶沉降变化规律与地表沉降具有相似性，上下行线拱顶点的沉降量较大，左右导坑顶部沉降在开挖后四天趋于平缓。图5.4 拱顶沉降变化曲线图各拱顶沉降监测点沉降曲线变化稳定，无异常突变现象，根据杨小军等人的结论可以判定，围岩的稳定性较好，工程所在地为黄土地区，由于黄土具有直立性的特点，并且工