连拱隧道施工方法研究
万少锋 陈忠云
【摘要】通过对赵家连拱隧道施工过程采用数值模拟进行隧道施工弹塑性有限元分析，研究不同施工方法隧道各部分的力学行为，主要施工方法包括：三导洞中空开挖法、三导洞中回填开挖法、中导洞回填开挖法。通过ANSYS计算隧道模型得到相应的应力和位移，在开挖支护时位移变化应满足1mm～5cm，初期支护和二衬的最大拉压应力满足“公路隧道设计规范”规定的混凝土材料抗拉压强度，通过计算导出施工过程中的最大位移，最大应力，进而得出施工控制区域。
【关键词】连拱隧道；弹性数值模拟；有限元；位移和应力；施工工艺
1. 引言
连拱隧道具有受力复杂，工序复杂，工期长等缺点，但由于连拱隧道具有减少占地，便于洞外接线的优点，因此连拱隧道仍然仍被采用。连拱隧道的两隧道间没有围岩而公用中墙，造成跨度非常大，因此为达到安全控制目标，比较常见的施工方法是
图1有限元模型图2成洞有限元模型三导洞法，中导洞法。但是其安全、质量、投资以及工期等四大控制目标的两大目标难以控制，即投资和工期，主要原因是三导洞法、中导洞法的工序和临时支护都较多，各工序之间相互影响大。在连拱隧道的修建中是否可以找到一种在保证施工安全的前提下，使在修建中减少投资，缩短工期。
KN/m3）1 弹性模
量（GPa）1 泊松比1 内聚力
（KPa）1 内摩擦角
（°）围岩1 211 1.41 0.351 3001 28围岩加固区1 221 31 0.321 4001 35喷射混凝土1 231 281 0.21—— 1——二衬1 251 29.51 0.21——1——中隔墙1 251 29.51 0.21——1 ——表2围岩物理力学参数围岩1 容重1 弹性模量1 泊松比1 凝聚力1 内摩擦角Ⅳ级1 211 1.41 0.351 301 28表3不同开挖方案典型工况工况一1 中导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况二1 三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况三1三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后不回填空洞。2. 模型建立
2.1本构模型选择。本文采用Drucker-Prager屈服准则（DP准则）。
2.2边界选取。在ANSYS中使用plane42单元模拟围岩、初支、中隔墙、二衬、围岩加固圈。各材料物理参数见表1。左右边界（X=40和X=-40）施加X方向约束，在下边界（Y=-30）施加全约束，上边界至天然地表为自由边界，计算只施加重力，不考虑其它荷载。有限元模型见图1和图2。
2.3模型参数。根据隧道施工的实际特点，结合赵家隧道地质情况，主要通过三种不同工况对连拱隧道的修建进行分析研究，通过对位移变形、初支应力、中隔墙应力等综合分析，得到赵家连拱隧道最佳的施工方法。工况详情见表2和表3。
3. 数据分析
3.1位移变形分析。位移变形主要表现在地表沉降及拱顶沉降方面通过ANSYS有限元模拟，得到典型步的位移云图（水平方向位移云图见图3）。其中工况二和工况三在中导洞开挖后是一样的。
（1）中导洞（三导洞）开挖支护后位移变形分析。
（2）二衬修建后位移变形分析（水平方向位移云图图4）。
3.2初支应力分析。
（1）右洞下台阶完成开挖支护后初支应力分析（第一主应力云图见图5、第三主应力云图见图6）。
（2）从表4～表7可以看出，在三种开挖方法中上台阶开挖支护后，拉应力和压应力较大，一旦下台阶开挖支护后，形成一个闭合封闭支护圈后，两者有所减小。混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在开挖过程中添加适量的钢支撑，就在容许范围之内。它们都在三导洞中洞空这种开挖方法中从左上台阶开挖开始拉应力和压应力都较大，最大拉应力为16.1MPa，最大压应力为28.5MPa，远远超出了混凝土的抗拉压强度，为保证施工安全顺利进行，需增强初支的支护参数，尽量不采用这种开挖方法。
图7第一主应力云图图8第三主应力云图表8中隔墙应力表工况1 S1（MPa）1 S3（MPa）中导洞开挖法1 0.9911 -6.150三导洞开挖法10.8541 -6.940（2）从表8发现中导洞开挖法和三导洞开挖法中隔墙两种开挖法应力差别不大，最大拉应力0.991MPa和最大压应力6.940MPa都符合混凝土抗拉压强度。
4. 结论
本文通过ANSYS有限元模拟，对赵家连拱隧道施工方法进行研究，讨论不同的施工方法的隧道力学行为，得到如下结论：
（1）中隔墙底部以上80cm之内的拉应力达到了6.34MPa，超过了中墙的抗拉强度，可以在中墙底部区域增加钢筋，采用钢筋混凝土。
（2）喷射混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在支护中加设钢支撑，就在容许范围之内；三导洞中空的喷射混凝土拉应力已经超出了混凝土的设计强度标准值，达到了16.1MPa，压应力也达到了28.5MPa，混凝土处于破坏状态。
（3）通过ANSYS计算分析可知该隧道开挖最适宜采用三导洞中洞回填法，可以减少初支拉压应力。
（4）三导洞中回填开挖法修建的二衬底部最大拉应力为1.96MPa，而混凝土的抗拉强度为2MPa，满足条件，为了有一定的安全储备，在原来的基础上加厚底部模筑混凝土3cm。
（5）需要实施监控量测的关键点为拱脚，拱顶，中隔墙与二衬和初支交接处。
参考文献
[1]孙辉.黄土连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[J].重庆：重庆大学，2005.
[2]李健清，卢启成.连拱隧道施工方法探讨[J].公路，2005，第9期：212～214.
[3]许崇帮，夏才初，朱合华.双向八车道连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：66～73.
[4]夏永旭，鲁彪.双连拱隧道中隔墙结构优化设计[J].公路，2005，（08）：167～169.
[5]林刚，何川.双连拱隧道合理施工方法试验研究.2003年全国公路隧道学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社，2003：106～112.
【摘要】通过对赵家连拱隧道施工过程采用数值模拟进行隧道施工弹塑性有限元分析，研究不同施工方法隧道各部分的力学行为，主要施工方法包括：三导洞中空开挖法、三导洞中回填开挖法、中导洞回填开挖法。通过ANSYS计算隧道模型得到相应的应力和位移，在开挖支护时位移变化应满足1mm～5cm，初期支护和二衬的最大拉压应力满足“公路隧道设计规范”规定的混凝土材料抗拉压强度，通过计算导出施工过程中的最大位移，最大应力，进而得出施工控制区域。
【关键词】连拱隧道；弹性数值模拟；有限元；位移和应力；施工工艺
1. 引言
连拱隧道具有受力复杂，工序复杂，工期长等缺点，但由于连拱隧道具有减少占地，便于洞外接线的优点，因此连拱隧道仍然仍被采用。连拱隧道的两隧道间没有围岩而公用中墙，造成跨度非常大，因此为达到安全控制目标，比较常见的施工方法是
图1有限元模型图2成洞有限元模型三导洞法，中导洞法。但是其安全、质量、投资以及工期等四大控制目标的两大目标难以控制，即投资和工期，主要原因是三导洞法、中导洞法的工序和临时支护都较多，各工序之间相互影响大。在连拱隧道的修建中是否可以找到一种在保证施工安全的前提下，使在修建中减少投资，缩短工期。
KN/m3）1 弹性模
量（GPa）1 泊松比1 内聚力
（KPa）1 内摩擦角
（°）围岩1 211 1.41 0.351 3001 28围岩加固区1 221 31 0.321 4001 35喷射混凝土1 231 281 0.21—— 1——二衬1 251 29.51 0.21——1——中隔墙1 251 29.51 0.21——1 ——表2围岩物理力学参数围岩1 容重1 弹性模量1 泊松比1 凝聚力1 内摩擦角Ⅳ级1 211 1.41 0.351 301 28表3不同开挖方案典型工况工况一1 中导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况二1 三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况三1三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后不回填空洞。2. 模型建立
2.1本构模型选择。本文采用Drucker-Prager屈服准则（DP准则）。
2.2边界选取。在ANSYS中使用plane42单元模拟围岩、初支、中隔墙、二衬、围岩加固圈。各材料物理参数见表1。左右边界（X=40和X=-40）施加X方向约束，在下边界（Y=-30）施加全约束，上边界至天然地表为自由边界，计算只施加重力，不考虑其它荷载。有限元模型见图1和图2。
2.3模型参数。根据隧道施工的实际特点，结合赵家隧道地质情况，主要通过三种不同工况对连拱隧道的修建进行分析研究，通过对位移变形、初支应力、中隔墙应力等综合分析，得到赵家连拱隧道最佳的施工方法。工况详情见表2和表3。
3. 数据分析
3.1位移变形分析。位移变形主要表现在地表沉降及拱顶沉降方面通过ANSYS有限元模拟，得到典型步的位移云图（水平方向位移云图见图3）。其中工况二和工况三在中导洞开挖后是一样的。
（1）中导洞（三导洞）开挖支护后位移变形分析。
（2）二衬修建后位移变形分析（水平方向位移云图图4）。
3.2初支应力分析。
（1）右洞下台阶完成开挖支护后初支应力分析（第一主应力云图见图5、第三主应力云图见图6）。
（2）从表4～表7可以看出，在三种开挖方法中上台阶开挖支护后，拉应力和压应力较大，一旦下台阶开挖支护后，形成一个闭合封闭支护圈后，两者有所减小。混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在开挖过程中添加适量的钢支撑，就在容许范围之内。它们都在三导洞中洞空这种开挖方法中从左上台阶开挖开始拉应力和压应力都较大，最大拉应力为16.1MPa，最大压应力为28.5MPa，远远超出了混凝土的抗拉压强度，为保证施工安全顺利进行，需增强初支的支护参数，尽量不采用这种开挖方法。
图7第一主应力云图图8第三主应力云图表8中隔墙应力表工况1 S1（MPa）1 S3（MPa）中导洞开挖法1 0.9911 -6.150三导洞开挖法10.8541 -6.940（2）从表8发现中导洞开挖法和三导洞开挖法中隔墙两种开挖法应力差别不大，最大拉应力0.991MPa和最大压应力6.940MPa都符合混凝土抗拉压强度。
4. 结论
本文通过ANSYS有限元模拟，对赵家连拱隧道施工方法进行研究，讨论不同的施工方法的隧道力学行为，得到如下结论：
（1）中隔墙底部以上80cm之内的拉应力达到了6.34MPa，超过了中墙的抗拉强度，可以在中墙底部区域增加钢筋，采用钢筋混凝土。
（2）喷射混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在支护中加设钢支撑，就在容许范围之内；三导洞中空的喷射混凝土拉应力已经超出了混凝土的设计强度标准值，达到了16.1MPa，压应力也达到了28.5MPa，混凝土处于破坏状态。
（3）通过ANSYS计算分析可知该隧道开挖最适宜采用三导洞中洞回填法，可以减少初支拉压应力。
（4）三导洞中回填开挖法修建的二衬底部最大拉应力为1.96MPa，而混凝土的抗拉强度为2MPa，满足条件，为了有一定的安全储备，在原来的基础上加厚底部模筑混凝土3cm。
（5）需要实施监控量测的关键点为拱脚，拱顶，中隔墙与二衬和初支交接处。
参考文献
[1]孙辉.黄土连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[J].重庆：重庆大学，2005.
[2]李健清，卢启成.连拱隧道施工方法探讨[J].公路，2005，第9期：212～214.
[3]许崇帮，夏才初，朱合华.双向八车道连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：66～73.
[4]夏永旭，鲁彪.双连拱隧道中隔墙结构优化设计[J].公路，2005，（08）：167～169.
[5]林刚，何川.双连拱隧道合理施工方法试验研究.2003年全国公路隧道学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社，2003：106～112.
【摘要】通过对赵家连拱隧道施工过程采用数值模拟进行隧道施工弹塑性有限元分析，研究不同施工方法隧道各部分的力学行为，主要施工方法包括：三导洞中空开挖法、三导洞中回填开挖法、中导洞回填开挖法。通过ANSYS计算隧道模型得到相应的应力和位移，在开挖支护时位移变化应满足1mm～5cm，初期支护和二衬的最大拉压应力满足“公路隧道设计规范”规定的混凝土材料抗拉压强度，通过计算导出施工过程中的最大位移，最大应力，进而得出施工控制区域。
【关键词】连拱隧道；弹性数值模拟；有限元；位移和应力；施工工艺
1. 引言
连拱隧道具有受力复杂，工序复杂，工期长等缺点，但由于连拱隧道具有减少占地，便于洞外接线的优点，因此连拱隧道仍然仍被采用。连拱隧道的两隧道间没有围岩而公用中墙，造成跨度非常大，因此为达到安全控制目标，比较常见的施工方法是
图1有限元模型图2成洞有限元模型三导洞法，中导洞法。但是其安全、质量、投资以及工期等四大控制目标的两大目标难以控制，即投资和工期，主要原因是三导洞法、中导洞法的工序和临时支护都较多，各工序之间相互影响大。在连拱隧道的修建中是否可以找到一种在保证施工安全的前提下，使在修建中减少投资，缩短工期。
KN/m3）1 弹性模
量（GPa）1 泊松比1 内聚力
（KPa）1 内摩擦角
（°）围岩1 211 1.41 0.351 3001 28围岩加固区1 221 31 0.321 4001 35喷射混凝土1 231 281 0.21—— 1——二衬1 251 29.51 0.21——1——中隔墙1 251 29.51 0.21——1 ——表2围岩物理力学参数围岩1 容重1 弹性模量1 泊松比1 凝聚力1 内摩擦角Ⅳ级1 211 1.41 0.351 301 28表3不同开挖方案典型工况工况一1 中导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况二1 三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况三1三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后不回填空洞。2. 模型建立
2.1本构模型选择。本文采用Drucker-Prager屈服准则（DP准则）。
2.2边界选取。在ANSYS中使用plane42单元模拟围岩、初支、中隔墙、二衬、围岩加固圈。各材料物理参数见表1。左右边界（X=40和X=-40）施加X方向约束，在下边界（Y=-30）施加全约束，上边界至天然地表为自由边界，计算只施加重力，不考虑其它荷载。有限元模型见图1和图2。
2.3模型参数。根据隧道施工的实际特点，结合赵家隧道地质情况，主要通过三种不同工况对连拱隧道的修建进行分析研究，通过对位移变形、初支应力、中隔墙应力等综合分析，得到赵家连拱隧道最佳的施工方法。工况详情见表2和表3。
3. 数据分析
3.1位移变形分析。位移变形主要表现在地表沉降及拱顶沉降方面通过ANSYS有限元模拟，得到典型步的位移云图（水平方向位移云图见图3）。其中工况二和工况三在中导洞开挖后是一样的。
（1）中导洞（三导洞）开挖支护后位移变形分析。
（2）二衬修建后位移变形分析（水平方向位移云图图4）。
3.2初支应力分析。
（1）右洞下台阶完成开挖支护后初支应力分析（第一主应力云图见图5、第三主应力云图见图6）。
（2）从表4～表7可以看出，在三种开挖方法中上台阶开挖支护后，拉应力和压应力较大，一旦下台阶开挖支护后，形成一个闭合封闭支护圈后，两者有所减小。混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在开挖过程中添加适量的钢支撑，就在容许范围之内。它们都在三导洞中洞空这种开挖方法中从左上台阶开挖开始拉应力和压应力都较大，最大拉应力为16.1MPa，最大压应力为28.5MPa，远远超出了混凝土的抗拉压强度，为保证施工安全顺利进行，需增强初支的支护参数，尽量不采用这种开挖方法。
图7第一主应力云图图8第三主应力云图表8中隔墙应力表工况1 S1（MPa）1 S3（MPa）中导洞开挖法1 0.9911 -6.150三导洞开挖法10.8541 -6.940（2）从表8发现中导洞开挖法和三导洞开挖法中隔墙两种开挖法应力差别不大，最大拉应力0.991MPa和最大压应力6.940MPa都符合混凝土抗拉压强度。
4. 结论
本文通过ANSYS有限元模拟，对赵家连拱隧道施工方法进行研究，讨论不同的施工方法的隧道力学行为，得到如下结论：
（1）中隔墙底部以上80cm之内的拉应力达到了6.34MPa，超过了中墙的抗拉强度，可以在中墙底部区域增加钢筋，采用钢筋混凝土。
（2）喷射混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在支护中加设钢支撑，就在容许范围之内；三导洞中空的喷射混凝土拉应力已经超出了混凝土的设计强度标准值，达到了16.1MPa，压应力也达到了28.5MPa，混凝土处于破坏状态。
（3）通过ANSYS计算分析可知该隧道开挖最适宜采用三导洞中洞回填法，可以减少初支拉压应力。
（4）三导洞中回填开挖法修建的二衬底部最大拉应力为1.96MPa，而混凝土的抗拉强度为2MPa，满足条件，为了有一定的安全储备，在原来的基础上加厚底部模筑混凝土3cm。
（5）需要实施监控量测的关键点为拱脚，拱顶，中隔墙与二衬和初支交接处。
参考文献
[1]孙辉.黄土连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[J].重庆：重庆大学，2005.
[2]李健清，卢启成.连拱隧道施工方法探讨[J].公路，2005，第9期：212～214.
[3]许崇帮，夏才初，朱合华.双向八车道连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：66～73.
[4]夏永旭，鲁彪.双连拱隧道中隔墙结构优化设计[J].公路，2005，（08）：167～169.
[5]林刚，何川.双连拱隧道合理施工方法试验研究.2003年全国公路隧道学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社，2003：106～112.
【摘要】通过对赵家连拱隧道施工过程采用数值模拟进行隧道施工弹塑性有限元分析，研究不同施工方法隧道各部分的力学行为，主要施工方法包括：三导洞中空开挖法、三导洞中回填开挖法、中导洞回填开挖法。通过ANSYS计算隧道模型得到相应的应力和位移，在开挖支护时位移变化应满足1mm～5cm，初期支护和二衬的最大拉压应力满足“公路隧道设计规范”规定的混凝土材料抗拉压强度，通过计算导出施工过程中的最大位移，最大应力，进而得出施工控制区域。
【关键词】连拱隧道；弹性数值模拟；有限元；位移和应力；施工工艺
1. 引言
连拱隧道具有受力复杂，工序复杂，工期长等缺点，但由于连拱隧道具有减少占地，便于洞外接线的优点，因此连拱隧道仍然仍被采用。连拱隧道的两隧道间没有围岩而公用中墙，造成跨度非常大，因此为达到安全控制目标，比较常见的施工方法是
图1有限元模型图2成洞有限元模型三导洞法，中导洞法。但是其安全、质量、投资以及工期等四大控制目标的两大目标难以控制，即投资和工期，主要原因是三导洞法、中导洞法的工序和临时支护都较多，各工序之间相互影响大。在连拱隧道的修建中是否可以找到一种在保证施工安全的前提下，使在修建中减少投资，缩短工期。
KN/m3）1 弹性模
量（GPa）1 泊松比1 内聚力
（KPa）1 内摩擦角
（°）围岩1 211 1.41 0.351 3001 28围岩加固区1 221 31 0.321 4001 35喷射混凝土1 231 281 0.21—— 1——二衬1 251 29.51 0.21——1——中隔墙1 251 29.51 0.21——1 ——表2围岩物理力学参数围岩1 容重1 弹性模量1 泊松比1 凝聚力1 内摩擦角Ⅳ级1 211 1.41 0.351 301 28表3不同开挖方案典型工况工况一1 中导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况二1 三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况三1三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后不回填空洞。2. 模型建立
2.1本构模型选择。本文采用Drucker-Prager屈服准则（DP准则）。
2.2边界选取。在ANSYS中使用plane42单元模拟围岩、初支、中隔墙、二衬、围岩加固圈。各材料物理参数见表1。左右边界（X=40和X=-40）施加X方向约束，在下边界（Y=-30）施加全约束，上边界至天然地表为自由边界，计算只施加重力，不考虑其它荷载。有限元模型见图1和图2。
2.3模型参数。根据隧道施工的实际特点，结合赵家隧道地质情况，主要通过三种不同工况对连拱隧道的修建进行分析研究，通过对位移变形、初支应力、中隔墙应力等综合分析，得到赵家连拱隧道最佳的施工方法。工况详情见表2和表3。
3. 数据分析
3.1位移变形分析。位移变形主要表现在地表沉降及拱顶沉降方面通过ANSYS有限元模拟，得到典型步的位移云图（水平方向位移云图见图3）。其中工况二和工况三在中导洞开挖后是一样的。
（1）中导洞（三导洞）开挖支护后位移变形分析。
（2）二衬修建后位移变形分析（水平方向位移云图图4）。
3.2初支应力分析。
（1）右洞下台阶完成开挖支护后初支应力分析（第一主应力云图见图5、第三主应力云图见图6）。
（2）从表4～表7可以看出，在三种开挖方法中上台阶开挖支护后，拉应力和压应力较大，一旦下台阶开挖支护后，形成一个闭合封闭支护圈后，两者有所减小。混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在开挖过程中添加适量的钢支撑，就在容许范围之内。它们都在三导洞中洞空这种开挖方法中从左上台阶开挖开始拉应力和压应力都较大，最大拉应力为16.1MPa，最大压应力为28.5MPa，远远超出了混凝土的抗拉压强度，为保证施工安全顺利进行，需增强初支的支护参数，尽量不采用这种开挖方法。
图7第一主应力云图图8第三主应力云图表8中隔墙应力表工况1 S1（MPa）1 S3（MPa）中导洞开挖法1 0.9911 -6.150三导洞开挖法10.8541 -6.940（2）从表8发现中导洞开挖法和三导洞开挖法中隔墙两种开挖法应力差别不大，最大拉应力0.991MPa和最大压应力6.940MPa都符合混凝土抗拉压强度。
4. 结论
本文通过ANSYS有限元模拟，对赵家连拱隧道施工方法进行研究，讨论不同的施工方法的隧道力学行为，得到如下结论：
（1）中隔墙底部以上80cm之内的拉应力达到了6.34MPa，超过了中墙的抗拉强度，可以在中墙底部区域增加钢筋，采用钢筋混凝土。
（2）喷射混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在支护中加设钢支撑，就在容许范围之内；三导洞中空的喷射混凝土拉应力已经超出了混凝土的设计强度标准值，达到了16.1MPa，压应力也达到了28.5MPa，混凝土处于破坏状态。
（3）通过ANSYS计算分析可知该隧道开挖最适宜采用三导洞中洞回填法，可以减少初支拉压应力。
（4）三导洞中回填开挖法修建的二衬底部最大拉应力为1.96MPa，而混凝土的抗拉强度为2MPa，满足条件，为了有一定的安全储备，在原来的基础上加厚底部模筑混凝土3cm。
（5）需要实施监控量测的关键点为拱脚，拱顶，中隔墙与二衬和初支交接处。
参考文献
[1]孙辉.黄土连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[J].重庆：重庆大学，2005.
[2]李健清，卢启成.连拱隧道施工方法探讨[J].公路，2005，第9期：212～214.
[3]许崇帮，夏才初，朱合华.双向八车道连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：66～73.
[4]夏永旭，鲁彪.双连拱隧道中隔墙结构优化设计[J].公路，2005，（08）：167～169.
[5]林刚，何川.双连拱隧道合理施工方法试验研究.2003年全国公路隧道学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社，2003：106～112.
【摘要】通过对赵家连拱隧道施工过程采用数值模拟进行隧道施工弹塑性有限元分析，研究不同施工方法隧道各部分的力学行为，主要施工方法包括：三导洞中空开挖法、三导洞中回填开挖法、中导洞回填开挖法。通过ANSYS计算隧道模型得到相应的应力和位移，在开挖支护时位移变化应满足1mm～5cm，初期支护和二衬的最大拉压应力满足“公路隧道设计规范”规定的混凝土材料抗拉压强度，通过计算导出施工过程中的最大位移，最大应力，进而得出施工控制区域。
【关键词】连拱隧道；弹性数值模拟；有限元；位移和应力；施工工艺
1. 引言
连拱隧道具有受力复杂，工序复杂，工期长等缺点，但由于连拱隧道具有减少占地，便于洞外接线的优点，因此连拱隧道仍然仍被采用。连拱隧道的两隧道间没有围岩而公用中墙，造成跨度非常大，因此为达到安全控制目标，比较常见的施工方法是
图1有限元模型图2成洞有限元模型三导洞法，中导洞法。但是其安全、质量、投资以及工期等四大控制目标的两大目标难以控制，即投资和工期，主要原因是三导洞法、中导洞法的工序和临时支护都较多，各工序之间相互影响大。在连拱隧道的修建中是否可以找到一种在保证施工安全的前提下，使在修建中减少投资，缩短工期。
KN/m3）1 弹性模
量（GPa）1 泊松比1 内聚力
（KPa）1 内摩擦角
（°）围岩1 211 1.41 0.351 3001 28围岩加固区1 221 31 0.321 4001 35喷射混凝土1 231 281 0.21—— 1——二衬1 251 29.51 0.21——1——中隔墙1 251 29.51 0.21——1 ——表2围岩物理力学参数围岩1 容重1 弹性模量1 泊松比1 凝聚力1 内摩擦角Ⅳ级1 211 1.41 0.351 301 28表3不同开挖方案典型工况工况一1 中导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况二1 三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况三1三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后不回填空洞。2. 模型建立
2.1本构模型选择。本文采用Drucker-Prager屈服准则（DP准则）。
2.2边界选取。在ANSYS中使用plane42单元模拟围岩、初支、中隔墙、二衬、围岩加固圈。各材料物理参数见表1。左右边界（X=40和X=-40）施加X方向约束，在下边界（Y=-30）施加全约束，上边界至天然地表为自由边界，计算只施加重力，不考虑其它荷载。有限元模型见图1和图2。
2.3模型参数。根据隧道施工的实际特点，结合赵家隧道地质情况，主要通过三种不同工况对连拱隧道的修建进行分析研究，通过对位移变形、初支应力、中隔墙应力等综合分析，得到赵家连拱隧道最佳的施工方法。工况详情见表2和表3。
3. 数据分析
3.1位移变形分析。位移变形主要表现在地表沉降及拱顶沉降方面通过ANSYS有限元模拟，得到典型步的位移云图（水平方向位移云图见图3）。其中工况二和工况三在中导洞开挖后是一样的。
（1）中导洞（三导洞）开挖支护后位移变形分析。
（2）二衬修建后位移变形分析（水平方向位移云图图4）。
3.2初支应力分析。
（1）右洞下台阶完成开挖支护后初支应力分析（第一主应力云图见图5、第三主应力云图见图6）。
（2）从表4～表7可以看出，在三种开挖方法中上台阶开挖支护后，拉应力和压应力较大，一旦下台阶开挖支护后，形成一个闭合封闭支护圈后，两者有所减小。混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在开挖过程中添加适量的钢支撑，就在容许范围之内。它们都在三导洞中洞空这种开挖方法中从左上台阶开挖开始拉应力和压应力都较大，最大拉应力为16.1MPa，最大压应力为28.5MPa，远远超出了混凝土的抗拉压强度，为保证施工安全顺利进行，需增强初支的支护参数，尽量不采用这种开挖方法。
图7第一主应力云图图8第三主应力云图表8中隔墙应力表工况1 S1（MPa）1 S3（MPa）中导洞开挖法1 0.9911 -6.150三导洞开挖法10.8541 -6.940（2）从表8发现中导洞开挖法和三导洞开挖法中隔墙两种开挖法应力差别不大，最大拉应力0.991MPa和最大压应力6.940MPa都符合混凝土抗拉压强度。
4. 结论
本文通过ANSYS有限元模拟，对赵家连拱隧道施工方法进行研究，讨论不同的施工方法的隧道力学行为，得到如下结论：
（1）中隔墙底部以上80cm之内的拉应力达到了6.34MPa，超过了中墙的抗拉强度，可以在中墙底部区域增加钢筋，采用钢筋混凝土。
（2）喷射混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在支护中加设钢支撑，就在容许范围之内；三导洞中空的喷射混凝土拉应力已经超出了混凝土的设计强度标准值，达到了16.1MPa，压应力也达到了28.5MPa，混凝土处于破坏状态。
（3）通过ANSYS计算分析可知该隧道开挖最适宜采用三导洞中洞回填法，可以减少初支拉压应力。
（4）三导洞中回填开挖法修建的二衬底部最大拉应力为1.96MPa，而混凝土的抗拉强度为2MPa，满足条件，为了有一定的安全储备，在原来的基础上加厚底部模筑混凝土3cm。
（5）需要实施监控量测的关键点为拱脚，拱顶，中隔墙与二衬和初支交接处。
参考文献
[1]孙辉.黄土连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[J].重庆：重庆大学，2005.
[2]李健清，卢启成.连拱隧道施工方法探讨[J].公路，2005，第9期：212～214.
[3]许崇帮，夏才初，朱合华.双向八车道连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：66～73.
[4]夏永旭，鲁彪.双连拱隧道中隔墙结构优化设计[J].公路，2005，（08）：167～169.
[5]林刚，何川.双连拱隧道合理施工方法试验研究.2003年全国公路隧道学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社，2003：106～112.
【摘要】通过对赵家连拱隧道施工过程采用数值模拟进行隧道施工弹塑性有限元分析，研究不同施工方法隧道各部分的力学行为，主要施工方法包括：三导洞中空开挖法、三导洞中回填开挖法、中导洞回填开挖法。通过ANSYS计算隧道模型得到相应的应力和位移，在开挖支护时位移变化应满足1mm～5cm，初期支护和二衬的最大拉压应力满足“公路隧道设计规范”规定的混凝土材料抗拉压强度，通过计算导出施工过程中的最大位移，最大应力，进而得出施工控制区域。
【关键词】连拱隧道；弹性数值模拟；有限元；位移和应力；施工工艺
1. 引言
连拱隧道具有受力复杂，工序复杂，工期长等缺点，但由于连拱隧道具有减少占地，便于洞外接线的优点，因此连拱隧道仍然仍被采用。连拱隧道的两隧道间没有围岩而公用中墙，造成跨度非常大，因此为达到安全控制目标，比较常见的施工方法是
图1有限元模型图2成洞有限元模型三导洞法，中导洞法。但是其安全、质量、投资以及工期等四大控制目标的两大目标难以控制，即投资和工期，主要原因是三导洞法、中导洞法的工序和临时支护都较多，各工序之间相互影响大。在连拱隧道的修建中是否可以找到一种在保证施工安全的前提下，使在修建中减少投资，缩短工期。
KN/m3）1 弹性模
量（GPa）1 泊松比1 内聚力
（KPa）1 内摩擦角
（°）围岩1 211 1.41 0.351 3001 28围岩加固区1 221 31 0.321 4001 35喷射混凝土1 231 281 0.21—— 1——二衬1 251 29.51 0.21——1——中隔墙1 251 29.51 0.21——1 ——表2围岩物理力学参数围岩1 容重1 弹性模量1 泊松比1 凝聚力1 内摩擦角Ⅳ级1 211 1.41 0.351 301 28表3不同开挖方案典型工况工况一1 中导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况二1 三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后用围岩回填空洞。工况三1三导洞开挖，双车道，中隔墙厚度为100mm， IV级围岩，中导洞开挖中隔墙修建后不回填空洞。2. 模型建立
2.1本构模型选择。本文采用Drucker-Prager屈服准则（DP准则）。
2.2边界选取。在ANSYS中使用plane42单元模拟围岩、初支、中隔墙、二衬、围岩加固圈。各材料物理参数见表1。左右边界（X=40和X=-40）施加X方向约束，在下边界（Y=-30）施加全约束，上边界至天然地表为自由边界，计算只施加重力，不考虑其它荷载。有限元模型见图1和图2。
2.3模型参数。根据隧道施工的实际特点，结合赵家隧道地质情况，主要通过三种不同工况对连拱隧道的修建进行分析研究，通过对位移变形、初支应力、中隔墙应力等综合分析，得到赵家连拱隧道最佳的施工方法。工况详情见表2和表3。
3. 数据分析
3.1位移变形分析。位移变形主要表现在地表沉降及拱顶沉降方面通过ANSYS有限元模拟，得到典型步的位移云图（水平方向位移云图见图3）。其中工况二和工况三在中导洞开挖后是一样的。
（1）中导洞（三导洞）开挖支护后位移变形分析。
（2）二衬修建后位移变形分析（水平方向位移云图图4）。
3.2初支应力分析。
（1）右洞下台阶完成开挖支护后初支应力分析（第一主应力云图见图5、第三主应力云图见图6）。
（2）从表4～表7可以看出，在三种开挖方法中上台阶开挖支护后，拉应力和压应力较大，一旦下台阶开挖支护后，形成一个闭合封闭支护圈后，两者有所减小。混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在开挖过程中添加适量的钢支撑，就在容许范围之内。它们都在三导洞中洞空这种开挖方法中从左上台阶开挖开始拉应力和压应力都较大，最大拉应力为16.1MPa，最大压应力为28.5MPa，远远超出了混凝土的抗拉压强度，为保证施工安全顺利进行，需增强初支的支护参数，尽量不采用这种开挖方法。
图7第一主应力云图图8第三主应力云图表8中隔墙应力表工况1 S1（MPa）1 S3（MPa）中导洞开挖法1 0.9911 -6.150三导洞开挖法10.8541 -6.940（2）从表8发现中导洞开挖法和三导洞开挖法中隔墙两种开挖法应力差别不大，最大拉应力0.991MPa和最大压应力6.940MPa都符合混凝土抗拉压强度。
4. 结论
本文通过ANSYS有限元模拟，对赵家连拱隧道施工方法进行研究，讨论不同的施工方法的隧道力学行为，得到如下结论：
（1）中隔墙底部以上80cm之内的拉应力达到了6.34MPa，超过了中墙的抗拉强度，可以在中墙底部区域增加钢筋，采用钢筋混凝土。
（2）喷射混凝土的抗拉强度为1.7MPa，抗压强度为15MPa，在三导洞开挖和三导洞中洞回填开挖围岩中初支拉应力最大为2.88MPa，压应力最大为17.6MPa，在支护中加设钢支撑，就在容许范围之内；三导洞中空的喷射混凝土拉应力已经超出了混凝土的设计强度标准值，达到了16.1MPa，压应力也达到了28.5MPa，混凝土处于破坏状态。
（3）通过ANSYS计算分析可知该隧道开挖最适宜采用三导洞中洞回填法，可以减少初支拉压应力。
（4）三导洞中回填开挖法修建的二衬底部最大拉应力为1.96MPa，而混凝土的抗拉强度为2MPa，满足条件，为了有一定的安全储备，在原来的基础上加厚底部模筑混凝土3cm。
（5）需要实施监控量测的关键点为拱脚，拱顶，中隔墙与二衬和初支交接处。
参考文献
[1]孙辉.黄土连拱隧道围岩与支护结构稳定性研究[J].重庆：重庆大学，2005.
[2]李健清，卢启成.连拱隧道施工方法探讨[J].公路，2005，第9期：212～214.
[3]许崇帮，夏才初，朱合华.双向八车道连拱隧道施工方案优化分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（1）：66～73.
[4]夏永旭，鲁彪.双连拱隧道中隔墙结构优化设计[J].公路，2005，（08）：167～169.
[5]林刚，何川.双连拱隧道合理施工方法试验研究.2003年全国公路隧道学术会议论文集[C].北京：人民交通出版社，2003：106～112.
