1.云南省交通规划设计研究院有限公司 云南昆明 650041；2.云南交投集团公路建设有限公司 云南昆明 650000
摘要：依托云南省楚雄连汪坝至南华县城一级公路项目，介绍一种大跨度无中导洞连拱隧道。该连拱隧道后行洞初期支护靠近先行洞侧拱脚搭接在先行洞初期支护的边墙上，先行洞靠近后行洞侧初期支护边墙采取非等厚加强设计，左右幅采用单洞法施工，左右幅初期支护和二次衬砌均封闭成环，并在初期支护与二次衬砌间设置防水层及排水设施。采用有限元数值模拟分析方法，对该无中导洞连拱隧道施工过程中的力学行为进行分析。数值模拟分析表明：先行洞围岩拱顶下沉量大于后行洞；先、后行洞初期支护和二次衬砌受力呈不对称分布，先行洞受力大于后行洞；先行洞靠近后行洞侧边墙地基采取加固措施能有效改善初期支护和二次衬砌的受力状况。
关键词：大跨度连拱隧道；无中导洞；数值模拟；力学行为
连拱隧道作为一种隧道结构，是随着我国公路建设的迅速发展而提出的一种隧道形式[1-5]。目前，应用较为广泛的是复合式曲中墙连拱隧道，其施工方法多采用三导洞法和中导洞正台阶法[6-8]，即先施工中导洞，浇筑中墙结构，再施工左、右幅正洞。采用中导洞法施工连拱隧道，存在施工工序较多、施工速度较慢、且中导洞临时支护需拆除不经济、以及不利于围岩稳定等问题。因此，本文依托云南楚雄连汪坝至南华县城一级公路项目，介绍一种无中导洞连拱隧道，并采用有限元数值模拟分析方法探究其施工过程中的力学行为，以期为今后无中导洞连拱隧道的应用积累一定的经验。
1 工程概况
云南省楚雄连汪坝至南华县城一级公路属国道G320线上海至瑞丽公路中的一段，项目按设计速度80km/h、路基宽度32m标准进行建设。本项目共设置一座连拱隧道，即小天城隧道，为一座双洞六车道大跨度连拱隧道，采用无中导洞施工。隧道长320m，纵坡为0.3%，最大埋深为49m。
小天城隧道围岩以强、中风化薄～中厚层状粉砂质泥岩夹粉砂岩为主，围岩级别为Ⅴ级。隧道区地下水类型主要为基岩风化裂隙水与基岩层间裂隙水，富水性弱～中等。
2 隧道设计与施工
2.1支护结构设计
隧道洞身段支护衬砌按照新奥法原理设计，采用初期支护和二次衬砌相结合的复合式衬砌。隧道支护参数为：初期支护采用29cm厚C25喷射混凝土、∅8双层钢筋网15×15cm、纵向间距50cm的Ⅰ22b钢拱架、中空注浆锚杆L＝450cm（间距100×50cm），二次衬砌采用70cm 厚C35钢筋混凝土衬砌。隧道采用三心圆曲墙式断面，开挖跨度34.71m，开挖高度11.74m。衬砌支护断面如图1所示（图中右幅为先行洞、左幅为后行洞）。
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图1 衬砌支护断面图(单位：cm)
小天城连拱隧道后行洞初期支护靠近先行洞侧拱脚搭接在先行洞初期支护的边墙上，先行洞靠近后行洞侧初期支护边墙采取非等厚加强设计，以确保该侧边墙稳定。左右幅初期支护和二次衬砌封闭成环，并在初期支护与二次衬砌间设置防水层及排水设施。隧道设计要点如下：
（1）左右幅之间的中夹岩由于施工过程中被扰动频繁，为确保该部位围岩稳定，设计考虑在先行洞采用小导管注浆对其进行加固。
（2）后行洞靠近先行洞侧初期支护钢架锚固在先行洞初期支护边墙位置钢架上，左右幅初期支护钢架位置对应，使初期支护受力更加合理。
（3）先行洞靠近后行洞侧墙脚基地承担荷载较大，设计在该部位采取钢管注浆进行加固，确保基底稳定。
2.2施工
隧道左右幅均采用上下台阶留核心土环形开挖法施工，施工工序如图2所示。
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图2 隧道施工工序示意图
隧道施工工序为：Ⅰ、右幅上台阶弧形导坑开挖； 1、右幅上台阶初期支护施作；Ⅱ、右幅上台阶核心土开挖；Ⅲ、右幅下台阶左侧开挖；2、右幅下台阶左侧初期支护施作；Ⅳ、右幅下台阶右侧开挖；3、右幅下台阶右侧初期支护施作；Ⅴ、右幅下台阶中槽开挖；4、右幅下台阶仰拱初期支护施作；5、右幅下台阶仰拱二衬、仰拱填充施作；6、右幅拱墙部二次衬砌施作；Ⅵ、左幅上台阶弧形导坑开挖；7、左幅上台阶初期支护施作；Ⅶ、左幅上台阶核心土开挖；Ⅷ、左幅下台阶左侧开挖；8、左幅下台阶左侧初期支护施作；Ⅸ、左幅下台阶右侧开挖；9、左幅下台阶右侧初期支护施作；Ⅹ、左幅下台阶中槽开挖；10、左幅下台阶仰拱初期支护施作；11、左幅下台阶仰拱二衬、仰拱填充施作；12、左幅拱墙部二次衬砌施作。
隧道掘进方式以机械开挖为主，遇局部较坚硬岩石，则采取少药量弱爆破施工，以避免后行洞爆破对先行洞衬砌结构产生震害，引起衬砌开裂。施工过程中严格控制各开挖步纵向施工长度，使初期支护和二次衬砌及时封闭成环，形成完整封闭受力体系。先行洞二次衬砌施工完成段与后行洞掌子面的距离控制在约40m。左右幅下台阶左右侧开挖前后错开距离控制在5～10m。
3 计算模型
计算采用目前常用的基于连续介质理论的有限元数值模拟方法，运用MIDAS/GTS软件对小天城连拱隧道采用无中导洞施工的施工过程进行数值模拟分析，以期了解和掌握围岩的位移及支护结构的受力状态。
数值模拟分析方法采用地层结构法。地层采用平面应变单元模拟，支护结构中的钢架和喷射混凝土采用等效的方法，将钢架的弹性模量折算给喷射混凝土，采用平面应变单元模拟，二次衬砌采用梁单元模拟。钢筋网和锚杆的支护作用作为安全储备，不纳入计算中。结构材料采用线弹性本构关系。对超前支护注浆加固、中夹岩注浆加固及先行洞靠近后行洞侧边墙基地加固，按经验采取提高围岩物理力学参数模拟。
计算模型取隧道最大埋深（49m）断面，隧道洞身及以上为强风化薄～中厚层状粉砂质泥岩夹粉砂岩，隧道仰拱以下为中风化薄～中厚层状粉砂质泥岩夹粉砂岩。
隧道计算模型如图3所示。围岩及支护结构的物理力学参数根据详勘资料和《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）并结合工程及计算经验选取，见表1。计算模拟施工工序按照前述第2节介绍的隧道施工工序。结合新奥法原理，先行洞（右洞）开挖阶段地应力释放40%，支护阶段释放其余的60%；考虑连拱隧道后行洞支护及时施作，后行洞开挖阶段地应力释放30%，支护阶段释放其余的70%。
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图3 隧道计算模型
表1 隧道围岩及支护结构计算参数
4 计算结果及分析
4.1围岩位移
隧道开挖后，随着地应力的释放，围岩逐渐向临空面方向产生位移。本次计算分析主要对左右幅开挖后拱顶下沉及边墙（拱脚）水平位移进行分析。限于篇幅，仅示出左右幅二次衬砌均施作后隧道竖向位移和水平位移云图，如图4、5所示；左右幅拱顶下沉、边墙（拱脚）水平位移随施工步序的变化情况见表2。图表中竖向位移 “＋”表示向上位移，“－”表示向下位移；水平位移 “＋”表示向右位移，“－”表示向左位移。
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图4 左右幅二次衬砌施作后围岩竖向位移
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图5 左右幅二次衬砌施作后围岩水平位移
表2 左右幅拱顶下沉、边墙（拱脚）水平位移随施工步序的变化情况
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可以看出，随着施工步序的推进，右幅（先行洞）拱顶下沉量大于左幅（后行洞）。右幅右边墙和左拱脚水平位移在左幅开挖前基本呈逐渐增大的趋势，在左幅开挖后表现出递减或者基本不变的现象；随着左幅开挖后隧道开挖跨度的增大，隧道扁平率越来越大，右幅右边墙有向围岩侧外扩的趋势；左幅左边墙水平位移量较小。
4.2初期支护内力
各施工阶段左右幅初期支护第一主应力和第三主应力计算结果见表3（表中 “＋”为受拉，“－”为受压）。
通过表3计算结果可以看出，右幅由于左幅后行开挖而增加了作用在支护结构上的荷载，表现出右幅初期支护第一、三主应力值比左幅大，左右幅初期支护受力呈现不对称性。左幅开挖前和左幅开挖后初期支护呈现出不同的受力状态。左幅开挖前，右幅初期支护第一主应力随着施工步序的推进逐渐减小，第三主应力随着施工步序的推进逐渐增大，即压应力逐渐增大，最大值出现在右拱腰。左幅开挖后，右幅初期支护第一主应力基本呈逐渐增大趋势，且均出现在右幅左墙脚，最大值出现在左幅二次衬砌施工后，为1.64 MPa，小于C25喷射混凝土极限抗拉强度2.0MPa；右幅初期支护第三主应力也基本呈逐渐增大趋势，最大值出现在右幅左拱腰，为9.92MPa，小于C25喷射混凝土极限抗压强度19.0MPa。
随着左幅施工推进，右幅靠近左幅侧初期支护受力较明显，一方面，右幅靠近左幅侧边墙底初期支护产生应力集中，出现较大拉应力；另一方面，右幅左拱腰也出现较大压应力。
表3 左右幅初期支护第一、三主应力
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4.3二次衬砌内力
各施工阶段左右幅二次衬砌轴力、弯矩及安全系数计算结果见表4（表中轴力 “＋”表示受拉，“－”表示受压；弯矩“＋”表示向隧道净空侧表现为凸，“－”表示向隧道净空侧表现为凹）。
表4 左右幅二次衬砌轴力、弯矩及最小安全系数
从表4可以看出，左右幅二次衬砌轴力和弯矩呈不对称分布，右幅二次衬砌受力大于左幅。随着左幅开挖掘进，右幅二次衬砌轴力和正弯矩受力呈逐渐增大趋势，负弯矩除在左幅二次衬砌施作后有所减小外，其余施工阶段也呈逐渐增大趋势。左幅开挖各阶段右幅二次衬砌轴力最大值均出现在左边墙，最大正弯矩出现在左墙脚，最大负弯矩出现在左边墙；右幅左边墙衬砌表现为小偏心受压状态，该部位安全系数最小，最小值为2.97，出现在左幅二次衬砌施作后。右幅左边墙衬砌为二次衬砌受力薄弱部位，应防止压溃破坏。总体来看，左右幅二次衬砌安全系数满足《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）规定的衬砌截面安全系数要求：钢筋达到设计强度或混凝土达到抗压极限强度时，安全系数K≥2.0，混凝土达到抗拉极限强度时，衬砌安全系数K≥2.4。
5 先行洞靠近后行洞侧地基加固效果分析
由前述分析可知，无中导洞施工连拱隧道先行洞（右幅）靠近后行洞（左幅）侧初期支护基地易产生应力集中，出现较大拉应力，属结构受力薄弱部位，该部位二次衬砌受力也较明显。为了探究先行洞靠近后行洞侧地基加固的效果，采用上述计算模型，对比该部位采取地基加固与未采取地基加固措施两种工况下初期支护和二次衬砌的受力情况，如表5、6所列。
可以看出，右幅靠近左幅侧边墙地基未采取加固措施各施工阶段初期支护第一主应力均大于采取地基加固措施后初期支护第一主应力，最大值为4.81 MPa，大于C25喷射混凝土极限抗拉强度2.0MPa，表明初期支护已产生局部破坏。右幅靠近左幅侧边墙地基采取加固措施与未采取加固措施各施工阶段初期支护第三主应力差别较小。
右幅靠近左幅侧边墙地基采取加固措施与未采取加固措施二次衬砌最小安全系数也有较大差异，地基未加固工况的二次衬砌安全系数小于地基加固工况的二次衬砌安全系数。当左幅上台阶开挖以后，二次衬砌最小安全系数出现部位由地基加固工况的右幅左边墙小偏心受压状态转变为地基未加固工况的右幅左墙脚大偏心受压状态；地基未加固工况的衬砌最小安全系数为1.79，不满足《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）规定的衬砌截面安全系数要求（混凝土达到抗拉极限强度时，衬砌安全系数K≥2.4）。可见，右幅靠近左幅侧边墙地基未采取加固措施工况下，右幅左墙脚衬砌为受力薄弱部位，衬砌极易产生开裂，进而反射至上部仰拱填充产生纵向裂缝。
综合上述分析表明，右幅靠近左幅侧边墙地基采取加固措施与未采取加固措施两种工况下初期支护与二次衬砌受力对比较明显，采取地基加固措施能有效改善初期支护和二次衬砌的受力状况。
表5 右幅靠近左幅侧边墙地基采取加固措施与未采取加固措施初期支护应力
表6 右幅靠近左幅侧边墙地基采取加固措施与未采取加固措施
二次衬砌最小安全系数、分布部位及受力状态
6 结论
结合云南省楚雄连汪坝至南华县城一级公路小天城连拱隧道的应用实例，介绍了无中导洞连拱隧道设计及施工，采用有限元数值模拟方法对隧道的施工力学行为进行了分析，得出如下主要结论：
（1）随着施工步序的推进，右幅围岩拱顶下沉量大于左幅。右幅右边墙和左拱脚围岩水平位移在左幅开挖前基本呈逐渐增大的趋势，在左幅开挖后表现出递减或者基本不变的现象；随着左幅开挖后隧道开挖跨度的增大，右幅右边墙有向围岩侧外扩的趋势；左幅左边墙围岩水平位移较小。
（2）右幅初期支护第一、三主应力值比左幅大，左右幅初期支护受力呈现不对称性。右幅靠近左幅侧初期支护受力较明显。一方面，右幅靠近左幅侧边墙底初期支护易产生应力集中，出现较大拉应力，属受力薄弱部位；另一方面，右幅左拱腰也出现较大压应力。
（3）左右幅二次衬砌轴力和弯矩呈不对称分布，右幅二次衬砌受力大于左幅。左幅开挖各阶段右幅二次衬砌轴力最大值均出现在左边墙，最大正弯矩出现在左墙脚，最大负弯矩出现在左边墙；右幅左边墙二次衬砌安全系数最小，为受力薄弱部位，应防止压溃破坏。
（4）右幅靠近左幅侧边墙地基采取加固措施与未采取加固措施两种工况下初期支护与二次衬砌受力对比较明显，采取地基加固措施能有效改善初期支护和二次衬砌的受力状况。
（5）目前，小天城连拱隧道已顺利贯通并通车运营。采用数值模拟对其施工力学行为的分析，对本项目无中导洞连拱隧道的设计和施工起到了重要的指导作用。
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