连拱隧道施工工艺Word格式.docx

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1、开挖施工

因连拱隧道具有埋深浅，跨度大，地质条件复杂、围岩风化破碎，受雨季地表水影响大的特点，开挖必须遵守“短进尺、弱爆破、强支护、早闭合”的原则。

按设计要求严格进行监控量测。

并把量测结果反溃到施工中，每天的水平收敛值0.1—0.2mm/d，拱顶下沉值0.1 

mm/d以下一般基本稳定，如果大于此值加强每天的找顶工作。

目前，双连拱的施工，主要有中导洞和三导洞两种施工方法。

根据隧道进出口地形条件及施工场地的实际情况，中导洞开挖可以从隧道两端同时施工，在隧道中间贯通，也可以从隧道一端开挖，在另一端贯通，根据地质条件中导开挖分全断面和短台阶两种施工方法，在围岩较好的Ⅳ类围岩可采用全断面开挖中导，加快施工进度在围岩破碎，节理发育及在洞口地段采用短台阶也可保证安全。

无论采用哪种方法，皆采用光面爆破技术尽量减少中导洞对两侧正洞围岩的扰动，每一循环进尺要控制在1M以下，围岩好的情况下也不能超过1.5M。

支护要紧跟开挖面，不允许围岩暴露时间太长，杜绝坍方，中导洞即使有小面积坍方，也会给正洞开挖带来很大影响。

中隔墙砼的施工顺序刚好和中导开挖顺序相反，根据现场情况，可采用从隧道中间向两端施工的顺序。

如一座隧道只设一个拌和站。

一般采用远离拌和站的一端向靠近拌和站的一端的施工顺序，但在工期紧的情况下可采用从隧道中间到两端同时施工。

为减轻相互影响，上下线正洞开挖一般错开40M左右，单跨正洞采用先拱后墙法分台阶施工。

拱部开挖高度3.5M—4M比较合适，爆破技术要尽量减少对中隔墙的影响，决不允许将中导洞作为临空面进行爆破设计，下部开挖要先在边墙处开槽，将拱部初期支护接下来后，在开挖中间部分注意不能进尺太长，最多开挖出两榀拱架距离的长度并尽快施工初期支护；

封闭围岩，防止因拱部支护长时间悬空而造成塌方。

2、三导洞施工方法：

三导洞施工方法除在中隔墙处开挖一导洞外，在上下行线两侧分别开挖一条侧导洞在中墙砼与边墙砼施工完后再开挖上，下行线正洞施工步骤如下：

侧导洞的开挖方法与中导洞相似，三导洞施工完后，再开挖上、下行线的正洞。

。

正洞开挖Ⅱ类围岩用台阶法施工，顺序与中导洞法不同，属与先墙后拱，不是先拱后墙，因在侧导洞开挖过程中，正洞边墙初期支护已施工爆破设计时，均要尽量减少爆破对中隔墙及侧墙的影响，不能因初期支护已全部完成而随意加大药量，加大进尺，造成的施工初期支护坍塌。

从以上两种施工方法，施工过程中看出：

中导洞施工法具有工序简单，临时支护及拆除量小，工期短、成本低，但在地质条件复杂，围岩地段不利于安全施工，而三导洞施工具有正洞支护闭合早，施工安全的优点，但工序复杂，工期成本高，两种施工方法主要根据隧道实际地质情况灵活运用，在地质条件复杂，涌水量大及洞口浅，偏压、围岩软弱一般用三导洞法施工，而较好的地段采用中导洞施工。

三、几个特殊问题的处理措施：

1、连拱隧道Ⅱ类围岩一般采用ф108超前管棚支护，但如果管棚设计太长大于40M，且洞口位于曲线上，一次施工很难保证安装位置准确，也可以在洞内开挖洞室，分两次施工，因此水平钻机操作平台必须牢固、安全，相连两接头不允许在一个断面上。

终压1.5—2.0Mpa

2、初期支护要遵循“短进尺，早封闭”的原则，必须一炮一支，防止围岩爆露太长而引起的坍方，特别是正洞下部开挖，钢架接脚时要控制好进度（不能过长）绝不能使拱部初期支护长距离或连续长时间悬空，钢架架立要控制在2小时以下（工艺安全、人身安全）。

3、隧道内的超前支护，注浆锚杆，除加固围岩的同时，也一定起堵水的作用（要有这个认识）。

所以说联拱隧道结构上的特点决定了其施工过程中必然会有不同于单拱隧道的特殊性问题，如何科学的处理好特殊问题，是安全、优质的施工好连拱施工过程中必须根据具体情况，科学、合理、灵活的选择处理方案。

4、中侧导洞断面的选择

中侧导洞为安全开挖正洞而首先贯通的辅助导洞，其断面大小；

在设计上一般没有严格的要求，选择断面主要是考虑导洞开挖施工机械配备情况，在单口开挖长度大于100M时的情况下，一般采用装载机配汽车出渣，断面宽度最好在5.5M左右，在单口长度小于100M的情况下，4M宽就可以满足要求，中导洞的高度一般比中隔墙高出0.5M即可。

5、中隔墙的水平推力平衡

上、下正洞在中导洞施工结束后开始开挖上下行线的正洞太低不利于种隔墙施工，太高会造成中隔墙顶会填量大，且不利于安全，侧洞同样。

为减小开挖施工的相互影响，上下行线的开挖施工，不能齐头并进。

必须一前一后错开40M左右。

这样在上、下行线两个开挖面之间一侧正洞的初期支护已完。

而另一侧支护还未施工，该段中隔墙必须要受到一个向未开挖一侧的水平推力，为了中隔墙的施工安全，在中隔墙上要打临时支撑。

支撑可用方木或钢管纵向间距2米一排，必须支撑牢固，开挖另一侧时再拆除。

6、中隔墙防水

设计图中隔墙的排水方案顶部设一条ф80的纵向透水管，每隔几米用硬塑引管将水引至水沟中，中隔墙平铺防水板将水引至排水沟。

7、在开挖施工过程中及时做好洞内排水系统，严禁洞内积水、排水沟不能沿边墙设置，避免软化边墙基底围岩，使其强度降低造成隧道坍塌。

8、仰拱最好在二次衬砌之前施工，使支护体系尽早形成封闭系统，

9、由于联拱隧道跨度大、洞口一般偏压严重，洞口刷坡后极易造成山体松动下滑，进而失稳，从开挖到支护时间间隔不能太长，同时加强边仰坡的变形观测。

10、中导洞的开挖施工，对正洞来说（时最好的），最准确的超前地质预报，因而在开挖过程中要对围岩进行详细、准确的记录，指导正洞施工。

11、由于联拱隧道跨度大，即使在围岩好的情况下也要坚持短进尺、弱爆破、强支护、早闭合”的开挖施工原则，以减少或杜绝坍方

偏压连拱隧道合理开挖方案的分析

周玉宏赵燕明程崇国

（重庆后勤工程学院土木工程系，重庆400041）（重庆交通科研设计院400067）

AnalysisontheConstructionProcessWithReasonofJointArchTunnelinPartial

PressZhouYu-hongZhaoYan-mingChengChong-guo

（1.Dept.ofCivilEng.,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing400041，China2.Chongqing

InstitueofTrafficScienceAndResearchDesign）

摘 

要：

本文采用ANSYSV5.6版有限元分析程序对云南元磨高速公路桥头隧道采用的施工过程进行了二维有限元分折。

通过有限元计算，模拟了三种开挖顺序，获得了偏压连拱隧道在采用不同开挖顺序施工时各阶段围岩的应力、应变状态、地表沉降以及隧道支护结构中的内力变化情况，通过对比、分析，并和现场量测资料相比较，得出一些结论，为云南元磨高速公路连拱隧道采用的施工方法提供了科学依据与技术指导。

关键词：

偏压连拱隧道有限元开挖施工顺序

中图分类号：

TU文献标示码：

A

Abstract:

Inthispaper,theprocessoftheconstructionofthetransitionaljointarchtunnelinQiaotoutunnelofYuanMoFreewayhasbeensimulatedwiththeapplicationofANSYSV5.6FEMprogram.Thestressstateofsurroundingrock,groundsettlementandinternalforcesoftunnelsupportstructureduringeachperiodofconstructionareobtainedby2Dcomputation.Somesolutionisobtainedbycontrasting,analysingandcomparingwithdataobtainedbylivemeasure.ThisanalysisprovidesascientificbasisandtechnicalguidancefortheconstructionofjointarchtunnelsinQiaotoutunnelofYuanMoFreeway.

Keywords:

PartialPress;

JointArchTunnel;

FEM;

ConstructOrder

1概述

本文计算所模拟的桥头隧道位于元江～磨黑高速公路16合同K342+375～K342+655之间，全长280米，为带中墙的整体式双跨连拱结构隧道，隧道单跨净宽10.53米，净高为7.2米。

单跨采用单心圆，边墙为曲线，中墙为直线，中墙厚为2米，隧道净宽为23.05米，最大开挖跨度为24.65米。

围岩类别为Ⅲ、Ⅳ类，隧道最大埋深74米。

路线位于云贵高原西部，横断山脉南延地区。

云南省地貌分区的哀牢山中山亚区，区内属构造侵蚀地形，路线主要位于高中山地区。

隧道上部岩体是一明显的斜坡，使隧道处在偏压状态中，具体参照图一模型。

隧道施工中采用先中墙，再上下台阶开挖法施工。

隧道最大开挖跨度为24.65米，无论从设计角度，还是从施工角度而言，其结构的受力状况都是十分复杂的。

而且连拱隧道在国内外的研究还为数不多，为掌握连拱隧道在开挖过程中引起的地层变形、地表沉降和支护结构的力学状态，特别是隧道施工顺序对围岩稳定及应力、应变影响，必须对连拱隧道结构的开挖过程进行有限元计算和分析，以便为该区段连拱隧道的设计和施工提供科学依据和技术指导。

目前的施工中所采用的施工顺序有先左洞后右洞开挖、先右洞后左洞开挖以及两洞同时开挖，对于偏压条件下双洞连拱隧道的开挖顺序，究竟哪种施工顺序更为合理，本文进行了一定的分析。

通过计算，并结合现场量测资料分析，得出一些可引为规律性的东西，从而对指导设计、施工、量测测点埋设位置及对施工中出现的问题和不合理量测结果的解释提供理论帮助。

2隧道结构的计算模型

依照初步设计中所提供的桥头隧道地段地质资料，将该地段围岩类别定为Ⅲ类，并结合初步设计中连拱隧道断面的相关尺寸建立了桥头隧道的二维有限元计算模型。

在有限元计算当中，边界约束条件对计算结果影响较大。

因此，为尽量减少二维有限元模型中边界约束条件对计算结果产生的不利影响，计算模型的边界范围按照以下原则进行了确定，即二维有限元计算模型所取地层的范围是:

水平方向上隧道两边的长度均取洞跨的3倍为限，即计算模型的水平宽度为开挖隧道跨度的7倍；

垂直方向上，隧道下的距离为洞高的3倍，而隧道上方按实际地形尺寸。

计算模型如图1。

2.1加固措施的简化

在本次有限元计算中，隧道结构的有限元计算采用隧道与地层共同作用的受力模式，模拟分析各种施工顺序对地层和隧道结构的受力与变形的影响。

在现场隧道开挖过程当中，为防止开挖引起的洞周岩土体的垮塌，通常根据围岩类别采用锚杆、超前小导管注浆和管棚等支护措施对其进行加固处理，以提高围岩的稳定性。

锚杆等加固的有限元模型，目前仍是国内外正在研究中的课题。

根据文献资料以及以往的工作经验，锚杆的主要作用并非其自身强度对整体结构的贡献。

因为在整个系统中，锚杆刚度和周围岩体刚度相比是微不足道的，而锚杆的真正作用在施工过程中起到及时加固，限制塑性区的发展，使岩体能保持较好的连续性和整体性，从而能够很好的起到自承作用。

所以，通常的锚杆模拟计算中采用提高C、φ值的方法。

根据大跨隧道初步设计方案，模拟计算必须考虑锚杆和超前小导管对围岩的加固稳定作用，因此在有限元计算时，依据国内外研究及现场经验所建议将围岩参数中的C、φ值提高20%-30%，本文对上述加固措施采用了将其所处位置围岩参数中的C、φ值提高20%的方法加以模拟。

2.2计算模型和计算参数

根据隧道围岩的物理力学性质，在本次有限元计算当中，采用了弹塑性的非线性有限无法。

在有限元计算中，围岩材料的本构模式采用Drucker-Prager（D-P）模型，以计算隧道结构与地层在开挖过程中发生的非线性变形特性。

在对连拱隧道进行开挖过程的有限元模拟分析中，计算程序采用了ANSYSV5.61版有限元分析软件。

由于该计算软件提供了对有限元计算单元进行“生（alive）”与”死（kill）”的处理功能，因此可以利用该功能来模拟隧道施工的分步开挖过程。

在计算过程当中，主体和隧道结构的支护均采用ANSYS程序中的PLANE42单元加以模拟。

在进行有限元计算时，围岩的物理力学参数依据铁路隧道锚喷构筑法中Ⅲ类围岩的参数确定，而支护采用混凝土C25的参数，物理力学参数具体如表1所示。

表l有限元计算的物理力学参数

Table1PhysicalmechanicsparameterforFEMcalculation

对偏压连拱隧道开挖过程模拟所建立的有限元模型划分有限元网格，总共划分为2024个PLANE42单元。

计算时所施加的边界约束条件是:

地表为自由边界，未受任何约束；

计算模型的左右边界分别受到x轴方向的位移约束，模型的地层下部边界受到y轴方向的位移约束。

3开挖过程的模拟计算

对于桥头偏压连拱隧道，为模拟其施工过程，将隧道模型平面划分如图2。

计算分三种开挖顺序分别计算。

⑴先左洞，后右洞

实施步骤是:

①先开挖中导坑，用改变中墙单元材料属性来模拟；

②开挖左洞上半部，用杀死单元来模拟；

③对左洞上部初期支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟；

④开挖左洞下半部；

⑤对左洞下部初期支护；

⑥右洞上部开挖，同时做左部仰拱；

⑦右洞上部初期支护，同时做左洞二衬；

⑧右洞下部开挖；

⑨右洞下部初期支护；

⑩做右洞仰拱，右洞二衬。

⑵先右洞，后左洞

②开挖右洞上半部，用杀死单元来模拟；

③对右洞上部初期支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟；

④开挖右洞下半部；

⑤对右洞下部初期支护；

⑥左洞上部开挖，同时做左部仰拱；

⑦左洞上部初期支护，同时做右洞二衬；

⑧左洞下部开挖；

⑨左洞下部初期支护；

⑩做右洞仰拱，左洞二衬。

⑶左右两洞同时开挖

②开挖左、右洞上半部，用杀死单元来模拟；

③对左、右洞上部初期支护，用激活单元并改变单元材料属性来模拟；

④开挖左、右洞下半部；

⑤对左、右洞下部初期支护；

⑥做左、右部仰拱；

⑦做左、右洞二衬。

4计算结果和分析

通过对偏压连拱隧道开挖过程的模拟计算，得出三种开挖方法所得的结果是不同的。

⑴对连拱隧道中墙的计算结果分析

在结果比较中发现，中墙与左洞初衬拱脚的交点（59结点）和与右洞初衬拱脚的交点（905结点）的应力是最敏感的。

表2、表3分别列出了59结点和905结点的应力、位移。

表259结点应力、位移Table2StressanddisplacementforNo.59

表3905结点应力、位移　Table3StressanddisplacementforNo.905

由以上数据可以得出下列分析：

①两侧同时开挖的应力值明显大于另外两种开挖顺序；

②在先左洞后右洞开挖和先右洞后左洞开挖中，X向最大应力为-4.365Mpa，出现在先左洞后右洞开挖顺序；

Y向最大应力为-8.148Mpa，出现在先右洞后左洞开挖顺序；

而X向位移是先左洞后右洞开挖顺序小于先右洞后左洞开挖顺序。

⑵三种开挖顺序的结果中隧道拱顶最大竖向位移均在左洞拱顶，其中两侧同时开挖顺序的位移值最大，为12.466mm;

先左洞后右洞开挖顺序的位移值最小，为10.738mm。

且左洞竖向位移比右洞大。

衬砌Y向位移分布图如图3。

由⑴、⑵可以得知，两侧同时开挖顺序是最不利的，故下面只比较另外两种开挖顺序。

⑶水平位移如图4、图5所示。

1）先左洞后右洞开挖最大水平位移在右洞拱腰，最大位移为5.882mm；

先右洞后左洞开挖最大水

平位移在左洞边墙，最大位移为3.412mm.

2）两种开挖顺序所得左、右两洞均表现为向内收敛，如表3所示。

表4水平位移（mm）Table4Horizontaldisplacement（mm）

⑷由应力分布图可以看出，采用先左洞后右洞开挖顺序，最大Y向应力出现在左洞右拱腰，最大X向应力出现在左洞拱顶；

采用先右洞后左洞开挖顺序，最大Y向应力出现在右洞左拱腰，最大X向应力出现在右洞拱顶。

⑸由塑性应变分布图可以看出，采用先左洞后右洞开挖顺序所得到的塑性区小于其它两种开挖顺序所得到的塑性区。

各开挖顺序所得到的塑性应变如图6、图7、图8所示。

5现场量测资料分析

桥头隧道的SK342+403断面和XK342+402断面，收敛量测结果如图7、图8所示。

由量测结果可得出如下结论：

⑴左洞XK342+402断面周边收敛（如图9）表现为负值缩小,拱腰最终收敛值为9.571mm，边墙最终收敛值为1.521mm；

而右洞SK342+403断面（如图10）表现为正值扩大，拱腰最终收敛值值为16.853mm，边墙最终收敛值为0.963mm。

Fig.9AroundconstringencyforXK342+402sectionFig.10AroundconstringencyforSK342+403section

⑵从整个量测断面的数据分析，两个断面的受力均为偏压状态，左大右小。

⑶桥头隧道开挖初期采用左、右洞同时开挖法施工，左、右洞的掌子面、下台阶以及二次衬砌均在同一个断面上。

在6月8日，XK342+403断面就因为两个洞的下台阶对称开挖而出现量测数据异常变化，表现为中隔墙开裂，靠近中隔墙的拱腰位置，喷射混凝土壁面有环向的裂纹；

左右洞的水平收敛值都有较大增长；

靠近中隔墙的拱腰位置的压力盒数据显示，左右洞的围岩压力分别达到400kPa和500kPa；

且拱腰部位的多点位移计在不同深度的各测点的位移值在这段时间也有大幅增长。

初步估计是两个洞的掌子面和下台阶均在同一断面上开挖，这样使得围岩垂直压力比只开挖一个洞的压力要大得多，不利于结构的受力和稳定，导致初期支护及中隔墙开裂。

故重庆交通科研设计院现场量测组建议：

上行线掌子面先掘进，待其二次衬砌超过下行线掌子面30米后，下行线的掌子面再开挖。

施工队按此法施工后取得了较为满意的结果。

6结语

从以上结果可以看出，实测结果与有限元计算结果是有一定差别的。

通过对计算结果及现场量测资料的分析，得出以下结论：

⑴通过偏压连拱隧道的有限元计算结果，可知在桥头隧道施工中所采用的先做中墙，再对左、右隧洞进行上下台阶开挖的施工方法是完全可行的。

⑵从有限元计算结果可以得出，隧道变形最明显位置在拱顶、拱腰，与现场周边收敛、拱顶下沉的埋点一致；

而应力测点的埋设应根据开挖顺序，最明显位置出现在拱顶及拱腰，故应根据开挖顺序对相应拱顶及拱腰进行应力监测。

另外，对中墙的应力监测也是必须的。

⑶由计算结果可知在偏压状态下，左右两洞同时开挖，其产生的应力值较其它两种开挖顺序大的多，故建议不宜采用。

开挖先左洞，后右洞和先右洞，后左洞的开挖顺序对围岩的影响，以及其产生的位移，应力等结果是各有利弊的，但综合塑性区的范围，可以得出先右洞，后左洞的开挖顺序比先左洞，后右洞的开挖顺序更为合理。

⑷在实际工程中由于地质条件的复杂性，使得量测结果与计算结果有出入（如现场量测分析的结论⑴），这就进一步体现了岩土工程问题的不确定性，解决这一问题，就得采用半理论半经验的方法，并结合现场监控量测，灵活的进行设计、施工。

当然，偏压连拱隧道作为一种较新的隧道形式，还有很多问题有待于研究，本文只是作者的一些看法，希望能对连拱隧道理论上的发展有所帮助。

另外，关于空间效应对连拱隧道的影响，还有待于进一步的研究。

双连拱隧道施工工艺

一、设计概况及特点

双连拱隧道是在通过山势不高，纵向长度较短，横坡较陡，下行线，公路上，下行线在此分不开的情况下，设置双跨连拱隧道，其单跨断面为单心圆结构，边墙为曲墙，中隔墙也为曲墙，单跨净宽10.8—11.0M，净高7.8M—8.0M，开挖断面为9.9M—10.0M，上下行线通过厚3M的钢筋砼中隔墙相连，初支采用工字钢（正洞）和钢花拱锚杆，挂网锚，喷砼与单跨隧道基本相同，二衬采用钢筋砼结构，联拱隧道由于通过地段的地质条件特殊性，决定了其设计和施工具有以下特点：

因连拱隧道具有埋深浅，