1．引言

  双连拱隧道在工程实际中较为常见，施工中常用的主要有两种施工方法：其一，“两导洞法”洞内分隔成上下台阶，通过分块开挖，逐步支护的施工方案；其二，“三导洞法”通过开挖辅助中洞卸压来逐步开挖左右两洞的施工方案[6]。在地下工程或基坑开挖中，随着开挖面推进，如何保持岩土体的初始状态，减少对岩土体初始状态的扰动，保持围岩处于相对稳定状态及不发生过大位移是一个非常复杂的课题，也是开挖问题的一个基本课题。它涉及到地下工程开挖方式的选择，开挖空间的利用，非常好的支护方式，支护参数及支护时机的确定等因素。因此针对具体的岩土体研究不同开挖方式下围岩的应力及位移状态，对分析围岩稳定性及推动地下工程施工力学的发展有着重要的意义 [1，2，3]。

  2. FLAC3D简介

  FLAC-3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美国Itasca Consulting Goup lnc开发的三维快速拉格朗日分析程序，该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。它包含10种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式，各种模式间可以互相藕合，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚杆、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题，特别适合于隧道开挖和支护方面的计算，现在已经广泛应用于岩土工程问题的各个方面。主要包括以下几个方面的应用：

  1. 承受荷载能力与变形分析：用于边坡稳定和基础设计

  2. 渐进破坏与坍塌反演：用于硬岩采矿和隧道设计

  3. 施加于地质体锚索支护所提供的支护力研究：岩锚和土钉的设计

  4. 排水和不排水加载条件下全饱和流体流动和孔隙压力扩散研究：挡土墙结构的地下水流动和土体固结研究

  5. 爆炸荷载和振动的动态响应：用于隧道开挖和采矿活动等几个方面的应用。

  在岩土计算方面FLAC3D具有以下几个优点：

  1. 对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。这种方法比有限元法中通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。 
    
  2. 即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。 
    
  3. 采用了一个“显式解”方案。因此，显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间，几乎与线性本构关系相同，而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。而且不存储刚度矩阵，这就意味着采用中等容量的内存可以求解多单元结构，模拟大变形问题所消耗的机时几乎小变形问题相差无几，因为不需要修改刚度矩阵。

  3．模型和简化

  3.1 　模型简化

  隧道的开挖和支护属于三维问题,工程所处的岩土介质条件大多分层存在,岩土介质也存在非均质的各向异性的特征。在进行数值计算时,根据工程及所处地质条件的特点,对隧道开挖和支护模型进行简化是必要的。本次数值模拟的模型基本假设为:

  （1） 各土层在接触面上为平面接触，不考虑层间横向运动，因此忽略土层间的摩擦力；

  （2） 各层内部材料均匀分布，不考虑地下水作用；

  （3） 地表作用均匀压力作为地面外载，地下一定深度范围内的应力场作为均匀荷载；
    
  （4） 岩土介质简化为连续的理想塑性介质,由Mohr - Coulomb 准则描述[4]。

  3.2 　模型尺寸

  计算区域的尺寸对于保证计算的准确性很重要,应考虑到计算的准确性与计算时准备工程的均衡。模型选择应以不波及模型边界为基本原则。这样既可保证数据可靠,又减少了计算工作量。在影响范围的估计上,由弹性理论可知,对于均匀线弹性介质中小圆孔应力集中问题, 在双向受等压弹性薄板内, 半径为a 的小圆孔周围应力变化规律是:

                                            (1)

  式中　p—原岩应力。由式(1) 可见, 在r=5a的地方, , 两者均已接近原岩应力。此处开挖小孔的影响已衰减到4%,可将其视为影响的最大边界,在边界以外即为原岩应力场，因此可取模型的三维尺寸为: 。

  3.3 　模型边界条件与荷载模式

  模型侧面和底面为限制位移边界,模型上表面为地表,取为自由边界，作用有均布压力1.4MPa。模型剖面如图1所示：

图1计算模型

  土层分类及其性质如表1所示：

表1土层分布及性质

  4．计算及结果分析

  本次数值模拟使用FLAC3D对地下隧道开挖的两种施工方式施工全过程进行了仿真，具体施工顺序如框图4所示，三维模型的建立和动态施工过程是通过编程来实现的，通过提高围岩的物理力学参数来模拟喷射混凝土，通过SHELL构件来模拟内部结构支护。

  4.1计算说明

  两种施工方式计算模型如图2、3所示，模型1为“两导洞”法计算模型，模型2为 “三导洞”法计算模型。模型1单元数大约为16000个，模型2单元数约为20000个，初始平衡率为5E-5,每进行一步开挖计算1000steps,按 10m/d的进度开挖，计算总时间约为10小时。历史记录点取自与洞室垂直的地表，分别沿纵向和横向每隔5米布置一个监测点并记录位移值。

  
    图2模型1              

                              图3模型 2

  初次支护采用喷射混凝土支护，二次支护采用壳单元结构支护，具体参数如表2 所示：

表2支护参数表

  程序计算过程依据如下实际施工步骤图：

图4 施工步骤图

  4.2  结果分析

  两种工法施工完成时Z方向位移等值线图如图5、6所示。

 图5 模型1 Z向等值线图            

                        图6模型2 Z向等值线图

  两种工法地表沉降曲线如图7、8所示，其中系列1为左洞地表沉降曲线，系列2为右洞地表沉降曲线，系列3为中间地表沉降曲线。

 图7模型1 地表沉降曲线图                             

图8 模型2地表沉降曲线

  通过计算得出两种工法的最大沉降量点均在中间地表，最大沉降量对比如图9所示。

图9 两种施工方法比较

  通过以上计算及两种施工方法最大沉降量曲线对比可以得出如下结论：

  （1）“两导洞”法由于施工的先后顺序使得左右两洞地表的沉降量体现出一定的差异；“三导洞”法采用对称施工法，左右两洞的沉降量基本一致，这与实际情况基本相符。

  （2）“两导洞”法施工过程中，中间墙体是主要受力部分，因此在左洞室施工过程中应该加强中间墙的支护。

  （3）“三导洞”法施工过程中，中间临时支护是关键，在拆除过程中容易造成隧道边角和拱角处应力过大破坏，应该做好预防措施。

  （4）“两导洞”最大沉降量22.52mm，“三导洞”法最大沉降量30.9mm。由于施工顺序的差别两种沉降曲线略有不同，这主要是由于不同施工方式引起应力分布的不均造成的。

  （5）通过两种施工方法最大沉降曲线对比可知，此次数值模拟中，“两导洞”所得到的结果较为理想。(e-works)