连拱隧道中导洞超前支护的作用分析

摘要：东山岭隧道为一级公路连拱隧道，隧道进口段、出口段地质均为粉质黏土、全风化砂岩的Ⅴ级围岩地段。隧道采用三导洞法开挖，通过超前小导管、系统锚杆、型钢钢架及喷射混凝土共同组成中导洞支撑体系。因中导洞贯通前无法进行中隔墙浇筑，中导洞初期支护体系成为中导洞的主要受力体系，而在施工过程中超前支护对整个中导洞的开挖安全起着至关重要的作用。基于此，本项目利用有限元分析方法，对全风化砂岩下的连拱隧道中导洞超前支护的作用进行分析，以增加对超前支护的受力情况的了解与重视，确保现场施工安全。

关键词：有限元；迈达斯；连拱隧道;超前支护

1工程概况

随着社会的发展，人们对于交通出行的需求越来越大，隧道以其方便快捷，大幅缩短线路距离的优点在公路工程中得到广泛使用。但部分隧道地质情况较差，施工风险较高，本文利用有限元数值模拟分析的方法，对东山岭隧道全风化砂岩段隧道超前支护起到的作用进行分析，形象展现隧道超前支护施作前后隧道围岩变化情况，以增加对隧道超前支护施工质量的重视，保证现场超前支护施工质量，确保隧道在全强风化砂岩下开挖施工安全。东山岭隧道位于河源市和平县县城境内，为一座四车道一级公路连拱隧道，起讫桩号为K105+132~K105+426，长294m。隧道位于直线上，隧道纵坡为-1.406%的单向坡，设计标高226.21m（进口）~221.11m（出口），隧道最大埋深90m。根据现场实际地勘资料显示，隧道进口段、出口段围岩为粉质黏土及全风化砂岩，隧道上覆岩层土层第一层土为粉质黏土，层厚约8.5m，第二层土为全风化砂岩。且东山岭隧道在进口段、出口段埋深较浅，隧道埋深约20m，属于浅埋隧道。东山岭隧道采用三导洞法开挖，先施工中导洞，中导洞贯通后进行中隔墙浇筑，中隔墙混凝土达到设计强度后方可进行隧道侧导洞及主洞开挖。因此，中导洞隧道在中隔墙浇筑完成前，仅靠中导洞初期支护为主要支撑体系抵抗围岩变形。中导洞隧道初期支护设计参数见表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结构软件公司开发的岩土与隧道结构有限元分析软件，该软件将通用的有限元分析内核与岩土隧道结构的专业性要求有机地结合，集合了丰富的材料本构模型，可有效的对隧道各施工阶段进行分析，指导隧道施工。模型建立前需对分析所需要的土体、锚杆、型钢钢架、喷射混凝土等材料进行定义，具体参数如表2。为减少建模工程量，钢拱架的作用采用等效方法予以考虑，即将钢拱架弹性模量折算给喷射混凝土，计算公式为：E=E0+Sg×EgSc式中：E——为折算混凝土的弹性模量；E0——为喷射混凝土初始弹性模量；Sg——为钢拱架截面面积；Eg——为钢材弹性模量；Sc——为混凝土截面面积。折算后喷射混凝土弹性模量为E=1.5×107+0.00261×2.1×1080.2=1.774×107kN/m2各项材料及属性定义完成后进行隧道模型的建立，为得到隧道超前支护对隧道抵抗围岩变形的作用，建立两个计算模型，其中模型1隧道施作超前支护，模型2隧道不施作超前支护，其余的模型尺寸、网格分割方式方法、相关材料属性等均相同。东山岭连拱隧道中导洞开挖宽度为5.4m，开挖高度为6.6m；以中导洞隧道为中心，选取宽56m，高41m，长40m的范围建立模型。根据东山岭隧道地质详勘资料，第一层土为粉质黏土，层厚8.5m；第二层土为强风化砂岩，选取层厚为32.5m。

3隧道循环开挖过程模拟

模型建立完成后，对中导洞开挖进行施工阶段定义。在MI⁃DAS/NX中，可通过对隧道土体网格组的钝化操作模拟实现隧道开挖施工，可通过对超前支护、系统锚杆、型钢钢架及喷射混凝土网格组的激活模拟实现隧道初期支护施工。施工阶段定义完成后，需对初始阶段进行位移清零操作，用来模拟隧道开挖前土体的固结沉降。然后按照连拱隧道中导洞开挖施工的顺序钝化第一循环中导洞土体，激活此循环超前支护及初期支护网格组，然后再进行钝化中导洞下一循环开挖土体，循环模拟至中导洞开挖结束。主要采用以下两个模型进行模拟并进行后期的数据分析，流程如下：模型1：隧道开挖循环进尺按照0.5m一循环进行模拟，隧道开挖按照超前支护→洞身开挖→锚杆、钢拱架施工→喷射混凝土→下一循环超前支护→下一循环洞身开挖的顺序进行。模型2：隧道开挖循环进尺按照0.5m一循环进行模拟，隧道开挖按照洞身开挖→锚杆、钢拱架施工→喷射混凝土→下一循环洞身开挖的顺序进行。施工过程中超前支护对整个中导洞的开挖安全起着至关重要的作用，模型建立完成后，对中导洞开挖进行施工的每个环节严格把控，以确保有更准确的结果。

4数值模拟结果分析

施工阶段定义完成后，对两个模型分别进行运行求解。求解完成后，对两个模型后处理结果进行比对分析。分别提取模型1、模型2中提取中导洞第一循环、第十循环及最后一循环开挖结果进行比较。根据模型1结果，在隧道设置超前支护情况下，隧道进行第一循环开挖时，导洞拱顶最大沉降值为2.04mm，拱底最大隆起值为4.43mm；进行第十循环开挖时，中导洞拱顶最大沉降值为2.58mm，拱底最大隆起值为7.25mm；进行最后一循环开挖时，中导洞拱顶最大沉降值为4.72mm，拱底最大隆起值为7.69mm。根据模型2结果，在隧道不设置超前支护情况下，隧道进行第一循环开挖时，导洞拱顶最大沉降值为3.54mm，拱底最大隆起值为6.3mm；进行第十循环开挖时，中导洞拱顶最大沉降值为6.98mm，拱底最大隆起值为7.77mm；进行最后一循环开挖时，中导洞拱顶最大沉降值为7.56mm，拱底最大隆起值为7.72mm。

5结论

对模型1、模型2计算结果进行分析，可得出如下几个结论。（1）隧道在进行超前支护后，隧道拱顶沉降量明显减少，隧道进行开挖过程中的风险明显降低；但是隧道进行出洞时，拱部沉降变形偏大，施工过程中需做好对洞口超前长管棚施工质量的控制，确保隧道出洞安全。（2）东山岭连拱隧道中导洞设计图中隧底未设置支护，根据两次模拟情况可知，隧道拱底隆起量基本相同，且偏大，后续进行开挖施工时，需注意中导洞隧底隆起的问题。（3）隧道在进行超前支护后，开挖面附近最大变形处位于掌子面偏上位置，中导洞开挖完成后，进行锚杆施作及拱架安装前，可在掌子面初喷一层混凝土以确保施工安全。

本次建模仍有许多不足，未曾考虑隧道开挖过程中地下水位变化、隧道爆破震动荷载等因素对隧道围岩变形的影响。但是通过本次建模分析，加深了对超前支护的受力认知及超前支护重要性的理解，为后续施工提供了理论基础。本文的论述只建立在本项目工程的基础上进行，以期为后续的施工以及类似工程提供一点点微薄的指导经验。

参考文献：

[1]王海涛.MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计[M].大连:大连理工出版社,2013.

作者:王齐佩 单位:中交四航局珠海工程有限公司