连拱隧道施工开挖对引水隧道的影响分析
计算网格模型：
有限元计算模型的水平宽度取为80m，垂直高度为100m，其中，覆盖层70m；围岩、中隔墙、喷混凝土及二次衬砌单元均采用平面单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟，钢拱架及导洞临时支护采用的喷混凝土均采用梁单元模拟；相应的边界位移约束为：左、右边界水平约束，下部边界垂直约束，上部边界自由；连拱隧道采用整体式中墙结构形式，共划分2479个单元；计算荷载考虑岩土体自重及开挖释放荷载，不考虑构造应力、地震及地下水等对隧道结构的影响。 开挖支护顺序：
1、中导洞拱顶围岩预注浆；2、中导洞开挖；3、中导洞初期支护；4、中隔墙衬砌施作；5、中导洞右侧导坑回填片石砼；6、左导洞开挖；7、左导洞初期支护；8、右导洞开挖；9、右导洞初期支护；10、左洞拱部开挖；11、左洞拱部初期支护；12、右洞拱部开挖；13、右洞拱部初期支护；14、左洞落底开挖；15、左洞落底初期支护；16、左洞全断面施作二次衬砌；17、右洞落底开挖（含中导洞右侧导坑回填部分）；18、右洞落底初期支护；19、右洞全断面二次衬砌。 材料物理、力学参数：
围岩、预加固地层、喷射混凝土、锚杆和二次衬砌的物理力学参数根据地质勘察报告、有关规范和实际经验确定（见表1）。
表1 围岩及支护计算物理、力学参数表 材
料 弹性模量属Mpa 性 M-C M-C M-C M-C M-C M-C
100 200 400 800 1000 210000 210000 21000
泊松比 0.38 0.35 0.3 0.28 0.2 0.3 0.3 0.2
面积 m2 0.0003801
0.2
比重 KN/m3 18 21 24 24 24 78.5 78.5 22
C kPa 50 200 300 500 500 1500
φ 度 30 32 40 45 45 45
材料名
岩土1 岩土2 岩土3 岩土4 预加固围岩 φ22 砂浆锚杆 I20a钢拱架 C20 喷射混凝土
1
C25 二次衬砌及中隔墙 M-C 29500 0.2 0.40 25 2000 55
图1、连拱隧道计算网格模型 图2、中导洞拱顶围岩预注浆
图3、中导洞开挖 图4、中导洞支护及中隔墙衬砌
图5、右导坑回填片石砼 图6、左导洞开挖
2
图7、左导洞初期支护 图8、右导洞开挖
图9、右导洞初期支护 图10、左洞拱部开挖
图11、左洞拱部初期支护 图12、右洞拱部开挖
3
图13、右洞拱部初期支护 图14、左洞落底开挖
图15、左洞落底初期支护 图16、左洞二次衬砌
图17、右洞落底开挖 图18、右洞落底初期支护
图19、右洞二次衬砌
4
联拱隧道开挖对引水隧道的变形影响分析：
20、中导洞开挖后引水隧道围岩变形情况
21、中导洞支护后引水隧道围岩变形情况
图22、中隔墙砌筑后引水隧道围岩变形情况
5
图23、回填片砼后引水隧道围岩变形情况
图24、左导洞开挖后引水隧道围岩变形情况
图25、左导洞支护后引水隧道围岩变形情况
6
图26、右导洞开挖后引水隧道围岩变形情况
图27、右导洞支护后引水隧道围岩变形情况
图28、左洞拱顶开挖后引水隧道围岩变形情况
7
图29、左洞拱顶支护后引水隧道围岩变形情况
图30、右洞拱顶开挖后引水隧道围岩变形情况
图31、右洞拱顶支护后引水隧道围岩变形情况
图32、左洞落底开挖后引水隧道围岩变形情况
8
图33、左洞落底支护后引水隧道围岩变形情况
图34、左洞二衬后引水隧道围岩变形情况
图35、右洞落底开挖后引水隧道围岩变形情况
图36、右洞落底支护后引水隧道围岩变形情况
9
图37、右洞二衬后引水隧道围岩变形情况
施工过程引水隧道变形统计表
引水隧道拱
施工步骤
顶位移(mm)
中导洞开挖 中导洞支护 中隔墙施工
中导洞右侧导坑洞片砼回填
左导洞开挖 左导洞支护 右导洞开挖 右导洞支护 左洞拱部开挖 左洞拱部支护 右洞拱部开挖 右洞拱部支护 左洞落底开挖 左洞落底支护 左洞二衬 右洞落底开挖 右洞落底支护 右洞二衬
10
引水隧道底部隆起(mm)0.76 0.91 0.75 0.75 0.98 0.99 1.10 1.08 2.10 2.06 2.95 3.28 4.03 4.36 4.37 5.45 5.85 5.85
引水隧道边墙相对位移(mm) 1.51 2.23 2.32 2.32 2.42 2.50 2.59 2.67 2.71 3.32 2.54 2.36 2.63 3.16 3.13 2.02 1.86 1.86
2.16 3.18 3.04 3.04 3.36 3.44 3.60 3.62 4.99 5.72 6.14 6.55 7.48 7. 7.91 9.66 10.24 10.24
联拱隧道开挖对引水隧道衬砌支护应力影响分析：
38、中导洞开挖后引水隧道衬砌水平应力 39、中导洞开挖后引水隧道衬砌竖向应力
40、中导洞支护后水隧道衬砌剪应力 41、中导洞支护后引水隧道衬砌水平应力
42、中导洞支护后引水隧道衬砌竖向应力 43、中导洞支护后水隧道衬砌剪应力
11
44、中隔墙施作后引水隧道衬砌水平应力 45、中隔墙施作后引水隧道衬砌竖向应力
46、中隔墙施作后引水隧道衬砌剪应力 47、右洞片砼回填后引水隧道衬砌水平应力
48、右洞片砼回填后引水隧道衬砌竖向应力 49、右洞片砼回填后引水隧道衬砌剪应力
50、左导洞开挖后引水隧道衬砌水平应力 51、左导洞开挖后引水隧道衬砌竖向应力
12
52、左导洞开挖后引水隧道衬砌剪应力 53、左导洞支护后引水隧道衬砌水平应力
54、左导洞支护后引水隧道衬砌竖向应力 55、左导洞支护后引水隧道衬砌剪应力
56、右导洞开挖后引水隧道衬砌水平向应力 57、右导洞开挖后引水隧道衬砌竖向应力
58、右导洞开挖后引水隧道衬砌剪应力 59、右导洞支护后引水隧道衬砌水平应力
13
60、右导洞支护后引水隧道衬砌竖向应力 61、右导洞支护后引水隧道衬砌剪应力
62、左洞拱顶开挖后引水隧道衬砌水平向应力 63、左洞拱顶开挖后引水隧道衬砌竖向应力
、左洞拱顶开挖后引水隧道衬砌剪应力 65、左洞拱顶支护后引水隧道衬砌水平应力
66、左洞拱顶支护后引水隧道衬砌竖向应力 67、左洞拱顶支护后引水隧道衬砌剪应力
14
68、右洞拱顶开挖后引水隧道衬砌水平向应力 69、右洞拱顶开挖后引水隧道衬砌竖向应力
70、右洞拱顶开挖后引水隧道衬砌剪应力 71、右洞拱顶支护后引水隧道衬砌水平应力
72、右洞拱顶开挖后引水隧道衬砌竖向应力 73、右洞拱顶支护后引水隧道衬砌剪应力
74、左洞落底开挖后引水隧道衬砌水平应力 75、左洞落底开挖后引水隧道衬砌竖向应力
15
76、左洞落底开挖后引水隧道衬砌剪应力 77、左洞落底支护后引水隧道衬砌水平应力
78、左洞落底支护后引水隧道衬砌竖向应力 79、左洞落底支护后引水隧道衬砌剪应力
80、左洞二衬后引水隧道衬砌水平应力 81、左洞二衬后引水隧道衬砌竖向应力
82、左洞二衬后引水隧道衬砌剪应力 83、右洞落底开挖后引水隧道衬砌水平应力
16
84、右洞落底开挖后引水隧道衬砌竖向应力 85、右洞落底开挖后引水隧道衬砌剪应力
86、右洞落底支护后引水隧道衬砌水平应力 87、右洞落底支护后引水隧道衬砌竖向应力
88、右洞落底支护后引水隧道衬砌剪应力 、右洞二衬后引水隧道衬砌水平应力
90、右洞二衬后引水隧道衬砌竖向应力 91、右洞二衬后引水隧道衬砌剪应力
17
联拱隧道施工开挖完后对引水隧道的影响分析：
图92、右洞二衬后最大主应力云
图93、右洞二衬后最小主应力云
图94、右洞二次衬砌后围岩屈服比率云图
18
主隧道开挖对引水隧道衬砌结构的应力影响分析表
水平向应力(MPa)
施工步骤
max
中导洞开挖 中导洞支护 中隔墙施工
中导洞右侧导坑洞片砼回填
左导洞开挖 左导洞支护 右导洞开挖 右导洞支护 左洞拱部开挖 左洞拱部支护 右洞拱部开挖 右洞拱部支护 左洞落底开挖 左洞落底支护 左洞二衬 右洞落底开挖 右洞落底支护 右洞二衬
0.14 0.18 0.18 0.18 0.32 0.34 0.18 0.16 0.58 0.83 0.56 0.44 0.73 0.68 0.67 0.16 0.23 0.22
min -3.32 -4.84 -5.15 -5.15 -5.07 -5.18 -5.58 -5.80 -4.70 -4.05 -3.99 -3.82 -3.00 -2.87 -2.86 -2.95 -2.90 -2.90
max 1.21 1.22 1.12 1.12 1.20 1.20 1.13 1.12 1.26 1.28 1.23 1.23 1.28 1.28 1.28 1.27 1.28 1.28
min -0.73 -0.62 -0.62 -0.62 -0.71 -0.73 -0.66 0.65 -0. -0.97 -0.59 -0.56 -0.87 -1.07 -1.07 -0.75 -1.26 -1.26
max 0.37 0.54 0.60 0.60 0.52 0.52 0. 0.72 0.31 0.11 0.24 0.52 0.01 -0.01 -0.01 1.04 1.41 1.42
min -0.23 -0.28 -0.31 -0.31 -0.42 -0.47 -0.45 -0.45 -0.98 -1.28 -1.01 -0.78 -1.17 -1.30 -1.30 -0.41 -0.20 -0.20
竖向应力(MPa)
剪应力(MPa)
围岩开挖支护过程中的释放荷载比率：
在进行计算模拟时，按照设计图纸的真实尺寸建立几何模型，计算时，将围岩的荷载释放系数按照如下方式分担：
中导洞开挖：60%，中导洞初期锚喷+钢拱架支护：30%，后续释放：10%；
左（右）导洞开挖：60%，左（右）导洞初期锚喷+钢拱架支护：30%，中间开挖支护过程：5%，左（右）洞二次衬砌：5%；
左（右）洞拱部开挖：60%，左（右）洞拱部初期锚喷+钢拱架支护：30%，中间开挖支
19
护过程：5%，左（右）洞二次衬砌：5%；
左（右）洞落底开挖：65%，左（右）洞落底初期喷混凝土+钢拱架支护：30%，左（右）洞二次衬砌：5%；
结论：
本次连拱隧道施工过程对引水隧道的影响分析，采用规范推荐的地层结构法，计算时将衬砌和围岩作为共同受力的同一体系，在满足变形协调的条件下分别计算衬砌与地层的内力，据此进行围岩及支护结构的受力分析，主要结论如下：
z 从引水隧道的变形看，其道拱顶最大累计沉降位移10.24mm，底部隆起最大累计位
移5.85mm，左、右洞边墙最大水平出现在左洞拱部支护后，其最大水平位移为3.32mm，而最终的水平收敛位移为1.86mm，以上位移均在可以控制范围内，满足设计要求；
z 引水隧道衬砌结构所受的压应力没有超出C20混凝土的极限强度，满足规范的要
求；但最大拉应力及最大剪应力偏大。
z 主隧道施工开挖过程中，从引水隧道围岩的塑性区分布看，出现在左洞落底支护
后，其拱顶左上方最大塑性区垂直深度为1.24m，边墙塑性区垂直深度为0.88m，底部塑性区径向深度为0.94m；此时引水隧道左上方与主隧道左洞底部间的非塑性区仅为2.41m，为了有效减小塑性区的范围，减少对引水隧道的影响，对左洞进行了二次衬砌，以加强围岩的稳定性。
左、右洞二次衬砌完后，引水隧道的围岩塑性区分布：拱顶左上方最大塑性区垂直深度为1.05m，边墙塑性区垂直深度为0.65m，底部塑性区径向深度为1.00m； 右洞二衬后，从围岩及最大主应力、最下主应力图及屈服比率云图看，主隧道及引水隧道之间的围岩是稳定的。
z 综上，从围岩的变形，应力及塑性区的分布来看，主隧道的施工对隧道的稳定性
是没有问题的，但从引水隧道衬砌结构应力看，最大拉应力及最大剪应力偏大。
深圳市西伦土木结构有限公司
2008-2-1
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