連拱隧道中導洞超前支護的作用分析

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摘要：東山嶺隧道為一級公路連拱隧道，隧道進口段、出口段地質均為粉質黏土、全風化砂巖的Ⅴ級圍巖地段。隧道采用三導洞法開挖，通過超前小導管、系統錨桿、型鋼鋼架及噴射混凝土共同組成中導洞支撐體系。因中導洞貫通前無法進行中隔墻澆筑，中導洞初期支護體系成為中導洞的主要受力體系，而在施工過程中超前支護對整個中導洞的開挖安全起著至關重要的作用。基于此，本項目利用有限元分析方法，對全風化砂巖下的連拱隧道中導洞超前支護的作用進行分析，以增加對超前支護的受力情況的了解與重視，確保現場施工安全。

關鍵詞：有限元；邁達斯；連拱隧道;超前支護

1工程概況

隨著社會的發展，人們對于交通出行的需求越來越大，隧道以其方便快捷，大幅縮短線路距離的優點在公路工程中得到廣泛使用。但部分隧道地質情況較差，施工風險較高，本文利用有限元數值模擬分析的方法，對東山嶺隧道全風化砂巖段隧道超前支護起到的作用進行分析，形象展現隧道超前支護施作前后隧道圍巖變化情況，以增加對隧道超前支護施工質量的重視，保證現場超前支護施工質量，確保隧道在全強風化砂巖下開挖施工安全。東山嶺隧道位于河源市和平縣縣城境內，為一座四車道一級公路連拱隧道，起訖樁號為K105+132~K105+426，長294m。隧道位于直線上，隧道縱坡為-1.406%的單向坡，設計標高226.21m（進口）~221.11m（出口），隧道最大埋深90m。根據現場實際地勘資料顯示，隧道進口段、出口段圍巖為粉質黏土及全風化砂巖，隧道上覆巖層土層第一層土為粉質黏土，層厚約8.5m，第二層土為全風化砂巖。且東山嶺隧道在進口段、出口段埋深較淺，隧道埋深約20m，屬于淺埋隧道。東山嶺隧道采用三導洞法開挖，先施工中導洞，中導洞貫通后進行中隔墻澆筑，中隔墻混凝土達到設計強度后方可進行隧道側導洞及主洞開挖。因此，中導洞隧道在中隔墻澆筑完成前，僅靠中導洞初期支護為主要支撐體系抵抗圍巖變形。中導洞隧道初期支護設計參數見表1。

2有限元分析模型建立

有限元法分析模型采用MIDAS/NX建立，MIDAS/NX是由MIDASIT結構軟件公司開發的巖土與隧道結構有限元分析軟件，該軟件將通用的有限元分析內核與巖土隧道結構的專業性要求有機地結合，集合了豐富的材料本構模型，可有效的對隧道各施工階段進行分析，指導隧道施工。模型建立前需對分析所需要的土體、錨桿、型鋼鋼架、噴射混凝土等材料進行定義，具體參數如表2。為減少建模工程量，鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量折算給噴射混凝土，計算公式為：E=E0+Sg×EgSc式中：E——為折算混凝土的彈性模量；E0——為噴射混凝土初始彈性模量；Sg——為鋼拱架截面面積；Eg——為鋼材彈性模量；Sc——為混凝土截面面積。折算后噴射混凝土彈性模量為E=1.5×107+0.00261×2.1×1080.2=1.774×107kN/m2各項材料及屬性定義完成后進行隧道模型的建立，為得到隧道超前支護對隧道抵抗圍巖變形的作用，建立兩個計算模型，其中模型1隧道施作超前支護，模型2隧道不施作超前支護，其余的模型尺寸、網格分割方式方法、相關材料屬性等均相同。東山嶺連拱隧道中導洞開挖寬度為5.4m，開挖高度為6.6m；以中導洞隧道為中心，選取寬56m，高41m，長40m的范圍建立模型。根據東山嶺隧道地質詳勘資料，第一層土為粉質黏土，層厚8.5m；第二層土為強風化砂巖，選取層厚為32.5m。

3隧道循環開挖過程模擬

模型建立完成后，對中導洞開挖進行施工階段定義。在MI⁃DAS/NX中，可通過對隧道土體網格組的鈍化操作模擬實現隧道開挖施工，可通過對超前支護、系統錨桿、型鋼鋼架及噴射混凝土網格組的激活模擬實現隧道初期支護施工。施工階段定義完成后，需對初始階段進行位移清零操作，用來模擬隧道開挖前土體的固結沉降。然后按照連拱隧道中導洞開挖施工的順序鈍化第一循環中導洞土體，激活此循環超前支護及初期支護網格組，然后再進行鈍化中導洞下一循環開挖土體，循環模擬至中導洞開挖結束。主要采用以下兩個模型進行模擬并進行后期的數據分析，流程如下：模型1：隧道開挖循環進尺按照0.5m一循環進行模擬，隧道開挖按照超前支護→洞身開挖→錨桿、鋼拱架施工→噴射混凝土→下一循環超前支護→下一循環洞身開挖的順序進行。模型2：隧道開挖循環進尺按照0.5m一循環進行模擬，隧道開挖按照洞身開挖→錨桿、鋼拱架施工→噴射混凝土→下一循環洞身開挖的順序進行。施工過程中超前支護對整個中導洞的開挖安全起著至關重要的作用，模型建立完成后，對中導洞開挖進行施工的每個環節嚴格把控，以確保有更準確的結果。

4數值模擬結果分析

施工階段定義完成后，對兩個模型分別進行運行求解。求解完成后，對兩個模型后處理結果進行比對分析。分別提取模型1、模型2中提取中導洞第一循環、第十循環及最后一循環開挖結果進行比較。根據模型1結果，在隧道設置超前支護情況下，隧道進行第一循環開挖時，導洞拱頂最大沉降值為2.04mm，拱底最大隆起值為4.43mm；進行第十循環開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為2.58mm，拱底最大隆起值為7.25mm；進行最后一循環開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為4.72mm，拱底最大隆起值為7.69mm。根據模型2結果，在隧道不設置超前支護情況下，隧道進行第一循環開挖時，導洞拱頂最大沉降值為3.54mm，拱底最大隆起值為6.3mm；進行第十循環開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為6.98mm，拱底最大隆起值為7.77mm；進行最后一循環開挖時，中導洞拱頂最大沉降值為7.56mm，拱底最大隆起值為7.72mm。

5結論

對模型1、模型2計算結果進行分析，可得出如下幾個結論。（1）隧道在進行超前支護后，隧道拱頂沉降量明顯減少，隧道進行開挖過程中的風險明顯降低；但是隧道進行出洞時，拱部沉降變形偏大，施工過程中需做好對洞口超前長管棚施工質量的控制，確保隧道出洞安全。（2）東山嶺連拱隧道中導洞設計圖中隧底未設置支護，根據兩次模擬情況可知，隧道拱底隆起量基本相同，且偏大，后續進行開挖施工時，需注意中導洞隧底隆起的問題。（3）隧道在進行超前支護后，開挖面附近最大變形處位于掌子面偏上位置，中導洞開挖完成后，進行錨桿施作及拱架安裝前，可在掌子面初噴一層混凝土以確保施工安全。

本次建模仍有許多不足，未曾考慮隧道開挖過程中地下水位變化、隧道爆破震動荷載等因素對隧道圍巖變形的影響。但是通過本次建模分析，加深了對超前支護的受力認知及超前支護重要性的理解，為后續施工提供了理論基礎。本文的論述只建立在本項目工程的基礎上進行，以期為后續的施工以及類似工程提供一點點微薄的指導經驗。

參考文獻：

[1]王海濤.MIDAS/GTS巖土工程數值分析與設計[M].大連:大連理工出版社,2013.

作者:王齊佩 單位:中交四航局珠海工程有限公司