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1、三种不同施工步序下连拱隧道变形沉降的数值模拟计算一、 计算目的厦门市机场路一期（仙岳路演武大桥）工程JC3合同段，起始里程为YK7+018，终点里程为YK8+150，其中YK7+500YK8+150为浅埋暗挖隧道段，该段平面布置为分岔式结构，即由连拱隧道、小净距隧道组成。K7+500YK7+540段为连拱隧道，开挖跨度最大为33.66m；该段隧道埋深9.910.4m；围岩条件极差，隧道拱部围岩以残积亚粘土为主，洞身围岩主要为全风化和砂状强风化花岗岩，围岩为级围岩。为了保证隧道本身结构和地表建筑物的安全，重庆交通科研设计院设计了三导洞开挖的双连拱施工方案（方案一）。但在实际施工中，为了加快进度缩
2、短工期，对原设计方案进行了调整，虽仍采用三导洞开挖，但改变了各导洞的开挖顺序，第一循环K7+500YK7+520 段和第二循环K7+520YK7+540段分别采用方案二和方案三施工。为了对比双连拱隧道YK7+500YK7+540段在三种不同施工步序下造成的拱顶和地表沉降大小，并简要分析其变形规律，特作本数值模拟计算。二、施工方案简述方案一的具体施工步序如下所述，见图2-1。第一步：中导洞开挖、支护，一次开挖贯通长度为20m （YK7+500YK7+520）；第二步：施作中墙及临近第一层二次衬砌，中墙右侧回填；第三步：开挖隧道左右侧导洞上台阶，进行支护，开挖长度为20m；第四步：开挖隧道左右侧导
3、洞下台阶，进行支护和第一层二次衬砌，开挖长度为20m；第五步：左侧导洞第一层二次衬砌完成后，对左主洞分成弧形导坑、上台阶、下台阶进行开挖，施作支护和第一层二次衬砌，开挖深度为20m；第六步：右侧导洞第一层二次衬砌完成后，对右主洞分成弧形导坑、上台阶、下台阶进行开挖，施作支护和第一层二次衬砌，开挖深度为20m；第七步：左右洞临时支撑解除，浇筑第二层衬砌。 图2-1 方案一的各施工步序及错距方案二的具体施工步序如下所述，见图2-2。第一步：中导洞上台阶开挖、支护，一次开挖贯通长度为20m （YK7+500YK7+520）；第二步：左侧导洞上台阶开挖、支护，一次开挖贯通开挖长度为20m；第三步：中导
4、洞下台阶和右侧导洞上台阶开挖、支护，一次开挖贯通开挖长度为20m；第四步：施作中墙及临近第一层二次衬砌，中墙右侧回填；第五步：左侧导洞下台阶开挖、支护，一次开挖贯通开挖长度为20m；第六步：右侧导洞下台阶开挖、支护，一次开挖贯通开挖长度为20m；第七步：左侧导洞第一层二次衬砌完成后，对左主洞分成弧形导坑、上台阶、下台阶进行开挖，施作支护和第一层二次衬砌，开挖深度为20m；第八步：右侧导洞第一层二次衬砌完成后和，对右主洞分成弧形导坑、上台阶、下台阶进行开挖，施作支护和第一层二次衬砌，开挖深度为20m；第九步：左右洞临时支撑解除，浇筑第二层衬砌。 图2-2 方案二的各施工步序及错距方案三的具体施工
5、步序如下所述，见图2-3。第一步：左侧导洞上台阶开挖、支护，一次开挖贯通长度为20m （YK7+520YK7+540）；第二步：中导洞和右侧导洞上台阶开挖、支护，一次开挖贯通长度为20m；第三步：中导洞下台阶开挖、支护，一次开挖贯通长度为20m；第四步：施作中墙及临近第一层二次衬砌，中墙右侧回填；第五步：左侧导洞下台阶和右侧导洞下台阶开挖、支护，一次开挖贯通长度为20m；第六步：左侧导洞第一层二次衬砌完成后，对左主洞分成弧形导坑、上台阶、下台阶进行开挖，施作支护和第一层二次衬砌，开挖深度为20m；第七步：右侧导洞第一层二次衬砌完成后和，对右主洞分成弧形导坑、上台阶、下台阶进行开挖，施作支护和第
6、一层二次衬砌，开挖深度为20m；第八步：左右洞临时支撑解除，浇筑第二层衬砌。 图2-3 方案三的各施工步序及错距三、数值模型建立3.1 MIDASGTS软件介绍 GTS(Geotechnical and Tunnel analysis System)是包含施工阶段的应力分析和渗透分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能的通用分析软件，可以对复杂的几何模型进行可视化的直观建模。在后处理中，它能以表格，图形，图表形式自动输出简洁实用的计算书。MIDAS/GTS已经通过了QA/QC质量管理体系认证，能确保计算结果的精度和质量。3.2 模型简介运用MIDASGTS软件建模进行数值模拟计算。土体采用“实体
7、”单元模拟，初支、临时支撑和二衬采用“板”单元模拟，运用激活、钝化命令来模拟土体的开挖和支护结构的施作。模型垂直方向上取40米，水平方向上取80米，模拟开挖隧道开挖长度20m。模型上表面即地表为自由边界，其余各外表面均约束法线方向的位移。考虑各土层的自重荷载，在第一荷载步首先计算自重作用下的初始应力场。模拟计算过程按照实际施工步序进行，每步开挖循环进尺为2m。三维模型立体图、初支结构图、二衬结构图分别如图3.1、3.2和3.3所示。图3.1 三维模型立体图 图3.2 初支结构图 图3.3 二衬结构图3.3 土层和支护参数采用莫尔-库伦本构模型进行计算。建立模型中输入的主要土层参数和支护参数分别
8、如表3-3和3-4所示。 表3-3 计算输入土层参数岩土名称弹性模量E(MPa)泊松比粘聚力C（KPa）内摩擦角（）容重（KN/m3）填筑土250.35202020残积亚粘土500.3202519强风化花岗岩1500.25304020表3-4 计算输入支护参数项目设计参数弹性模量E（GPa）泊松比模拟单元初喷混凝土内设双层钢筋网结构C20喷混厚28cm210.25板第一次二次衬砌C25钢格栅混凝土结构50cm厚280.25板第二次二次衬砌C25钢筋混凝土30cm厚280.25板五、主要计算结果及分析 方案一、方案二和方案三随开挖步序造成的拱顶沉降和地表沉降值分别如表5-1、表5-2和表5-3所
9、示。表5-1 方案一随开挖步序造成的拱顶沉降和地表沉降施工步序计算步地层变形色谱图拱顶沉降值（mm）地表沉降值（mm）1中导洞贯通139.03.92左右侧导洞上台阶贯通2325.717.13左右侧导洞下台阶贯通2832.523.34左主洞贯通3634.525.15右主洞贯通4635.927.56拆除临时支撑5937.128.3表5-2 方案二随开挖步序造成的拱顶沉降和地表沉降施工步序计算步地层变形色谱图拱顶沉降值（mm）地表沉降值(mm)1中导洞上台阶贯通107.83.22左侧导洞上台阶贯通209.84.83中导洞下台阶和右侧导洞上台阶贯通3013.29.74左侧导洞下台阶贯通4117.613
10、.75右侧导洞下台阶贯通5118.914.36左主洞贯通6738.431.27右主洞贯通7743.634.58拆除临时支撑9045.335.8表5-3 方案一随开挖步序造成的拱顶沉降和地表沉降施工步序计算步地层变形色谱图拱顶沉降值（mm）地表沉降值（mm）1左侧导洞上台阶贯通108.62.82中导洞上台阶贯通和右侧导洞上台阶贯通2011.47.83中导洞下台阶贯通3012.88.64左侧导洞下台阶贯通和右侧导洞下台阶贯通4117.713.65左主洞贯通5736.228.86右主洞坑贯通6741.933.37拆除临时支撑8043.434.6现把各施工方案引起的最终拱顶和地表沉降归纳如下表5-4所
11、示。表5-4 各施工方案引起的最终拱顶和地表沉降方案最终拱顶沉降值（mm）最终地表沉降值（mm）方案一37.128.3方案二45.335.8方案三43.434.6从上表可以看出，三种方案中方案一引起的拱顶和地表沉降最小，分别为37.1mm和28.3mm。方案二的最终拱顶沉降45.3mm比方案一大22.1%，最终地表沉降35.8mm比方案一大26.5%。而方案三的最终拱顶沉降43.4mm比方案一大17.0%，最终地表沉降34.6mm比方案一大22.3%。由此可知，原设计院的方案更安全保守一些，而调整后的实际施工方案会造成更大一点的拱顶和地表沉降。在左右主洞没开挖前，方案一、方案二和方案三的最大拱
12、顶沉降位置均在中导洞上台阶拱顶处。当左主洞弧形导坑开挖后，最大拱顶沉降位置即转移到左主洞拱顶处，并随着后续开挖一直保持在此处。最大地表沉降位置随开挖步序一直处在变化之中，但两种方案施工全部结束时的最大地表沉降位置均位于中导洞和左主洞中间土体的正上方。在方案二中，中导洞和左右导洞施工产生的拱顶沉降约为最终沉降的18.9/45.3=41.4%,地表沉降约为最终沉降的14.3/35.8=39.9%。在方案三中，中导洞和左右导洞施工产生的拱顶沉降约为最终沉降的17.7/43.4=40.8%,地表沉降约为最终沉降的13.6/34.6=38.7%。这说明左右主洞开挖造成的沉降是控制整个施工沉降的主要部分。
