随着交通强国建设的有力推进，高速公路大断面隧道越来越多地出现在复杂地质地区。在山岭地区修建隧道，需要考虑总体路线的需求，同时还需要避开各种不良地质区域，例如岩溶、断层。连拱隧道作为一种较新的隧道形式具有利于线形优化和洞外占地面积小的优势能够很好地满足设计要求，其可给路线规划提供便利。

李志勇等^[1]通过数值模拟软件，模拟了连拱隧道施工的力学行为，从围岩塑性区分布，围岩情况以及衬砌受力分析了隧道坍塌原因，并提出了治理方法；朱红桃^[2]通过数值模拟对比研究了三导洞与中导洞洞隧道施工时的地表沉降，中隔墙围岩，围岩应力等，得到了最优方案，以便给类似过程通过经验；胡长明等^[3]以风口山隧道为例，通过数值模拟的方法研究了仰拱一次开挖长度对拱墙受力的影响以及开挖进尺对围岩及掌子面的影响，对连拱隧道微台阶法进行了优化。张浩等^[4]通过有限元软件分析了浅埋连拱隧道下穿管廊的施工工序和施工工法，并最终确定了浅埋隧道的最佳施工方法；杨果林等^[5]依托何家大岭隧道，通过在中墙埋设的元件进行监控量测，得到了3种典型的中墙承载模式及其演变过程；高红杰等^[6]推导了深埋非对称连拱隧道过程荷载的计算公式，对比了是否考虑施工过程对荷载的影响，最后依据具体的工程实例验证了公式的正确性。

然而，有中导洞连拱隧道施工过程较为繁琐，结构受力复杂多变。中导洞的开挖会导致土体首先出现松动圈，主洞开挖时会进一步引起松动圈的扩展，拱顶土压力相比较而言更大。这些不利因素阻碍了其更为广泛的运用。近年来，李志厚等研究了无中导洞连拱隧道，其在继承了传统连拱隧道优点的同时，能够减小对围岩的扰动，简化施工步骤，缩短工期，克服了传统连拱隧道存在的一些缺点^[7-12]，给连拱隧道的建设带来了新的机遇。由于无中导洞连拱隧道即挖即支，无需开挖中导洞，无需待中导洞贯通后再施工正洞，减少了拱顶围岩松动变形的过程，充分体现了新奥法的理念，即松散荷载(松动圈)相对有中导洞隧道更小。在中隔墙形式方面，直墙薄壁式中隔墙减少了工程造价及施工难度，但其在各种地质条件下的力学性能还有待进一步研究。

本研究以云南开达古山岭隧道为例，介绍了无中导洞连拱隧道的相关施工工艺流程，采用MIDAS/GTS建立三维有限元模型，对无中导洞施工进行动态模拟，得到了施工阶段相关的力-位移演变规律、塑性区变化特征以及工后变形分布。结合现场实测数据，对比分析了施工过程中隧道拱顶的竖向位移、水平收敛随开挖的变化规律。研究结论可为类似复杂地区无中导洞连拱隧道的设计与施工提供参考。

开达古隧道为连拱-小净距-分离式隧道，属于香丽(香格里拉至丽江)高速。工程区域位于三江印支褶皱系弧形转弯受急剧挤压而变窄的部位，地质构造十分复杂，断裂极为发育，金沙江深大断裂(区内的秋多－鲁甸断裂)纵贯区内中部、红河深大断裂(区内的楚波断裂)从区内东部通过，自古生代以来就长期控制了区内的沉积作用、岩浆活动、变质作用、构造变动及成矿作用；其中，北东向断裂组对路线影响较大，控制路线区地形地貌单元、地层岩性、水系等的北东向断裂组有鸿文~九河断裂、雄古~北高寨断裂、石鼓褶皱带、中甸褶皱带、土官村断裂、松林坪断裂等。

隧道区属构造侵蚀、剥蚀中高山峡谷地貌区，地形相对较陡，植被茂密，地质作用以构造剥蚀、风化作用为主。隧道区内无地表径流，地下水类型为基岩裂隙水，主要为强风化带裂隙富水、导水；主要靠大气降水补给，地下水向场区低洼沟谷运动，多沿沟谷呈散流状排出地表，汇聚于山间沟谷排泄。隧道区域内的不良地质主要体现在：隧道轴线穿越两条断层，其中冲江河断裂属于压性活动断裂，破碎带含水丰富，应注意断层破碎带突水突泥灾害。

场地区上覆第四系残破积层粉质黏土、碎石土。下伏基岩为三叠系板岩、二叠系片理化玄武岩。根据地质勘察报告，场地岩土构成自上而下为覆盖层和基岩，前者包括粉质黏土和碎石土，后者包括强、中风化板岩和强、中风化片理化玄武岩。隧道纵断面与横断面情况如图 1所示。

图 1 隧道纵断面与横断面设计情况 Fig. 1 Design of tunnel profile and cross-section

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无中导洞连拱隧道施工步序如图 2所示，其分为左右两洞交替次序进行。左洞(先行洞)施工方法为三台阶预留核心土法，其施工步骤为：(1) 上台阶开挖；(2) 拱顶初支；(3) 核心土开挖；(4) 中台阶开挖；(5) 边墙初支；(6) 下台阶开挖；(7) 仰拱初支；(8) 浇注仰拱衬砌混凝土；(9) 浇注拱墙二衬。

图 2 施工顺序示意(Ⅰ~Ⅷ为岩土体开挖顺序) Fig. 2 Schematic diagram of construction sequence (Ⅰ-Ⅷ are excavation sequence of rock and soil mass)

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右洞(后行洞)以交叉中隔壁法进行开挖，其施工顺序为：(1) 右上台阶开挖；(2) 右上台阶初支及中隔墙；(3) 右导洞下台阶开挖；(4) 右下台阶初支及中隔墙；(5) 左上台阶开挖；(6) 左上台阶初支；(7) 左下台阶开挖；(8) 仰拱开挖与支护；(9) 及时整体浇注底部仰拱及混凝土填充；(10) 浇注拱墙二衬。

后行洞在施工过程中会采用爆破的方法，而后行洞的爆破会对先行洞二衬的稳定性造成影响。因此在施工过程中先行洞二衬应尽量远离后行洞爆破的工作面。但在开挖时，后行洞的开挖会对先行洞掌子面的稳定性造成影响，并且对先行洞初期支护部分也有一定的影响。但是先行洞掌子面距离二衬的距离不宜过远，否则二衬不能及时起到支护的作用。其三者的平面关系如图 3所示。

图 3 隧道平面布置 Fig. 3 Tunnel plane layout

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因此在实际施工过程中的难点在于掌握左右两洞先后施工时的相互影响作用，并且尽量控制、减小后行洞施工对先行洞的影响。本研究主要台阶—CRD无中导洞法施工连拱隧道时，力与变形随施工阶段演变规律，并基于此提出减小后行洞扰动的建议。

采用MIDAS/GTS建立了三维有限元模型^[13]，整体尺寸为85 m×50 m×70 m(长×宽×高)。模型中共包括3层土，分别是粉质黏土(厚20 m)、碎石土(厚30 m)，强风化板岩(厚20 m)。隧道埋深为30 m，完全处于碎石土中。围岩采用摩尔—库伦本构模型，初支、二衬以及锚杆结构为弹性体。模型中土体和二衬为实体单元，而初支和中隔墙采用板单元模拟，锚杆为植入式桁架单元，模型总单元数量为83 575。模型整体及无中导洞连拱隧道如图 4所示。根据地勘资料与类似工程设计，将围岩与支护结构的参数确定如表 1所示。其中，初支和中隔墙中钢拱架的弹性模量采用等效的方式折算给混凝土。

图 4 计算模型及其尺寸(单位: m) Fig. 4 Calculation model and its geometric dimensions (unit: m)

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隧道施工方式为钻爆法，破坏振动的影响是瞬态过程，其影响一般是衬砌开裂等。而开挖后造成的围岩应力释放会持续性影响结构力学状态。现场施工对爆破进行了优化，最大限度降低了爆破荷载的影响。在这种情况下，爆破效应对结构力-位移而言影响较小。基于以上原因，我们主要考虑隧道开挖后的土体应力释放，因此采用了静力学模型，未考虑爆破振动的影响。

根据实际隧道施工方案，模型中左右洞的掌子面相距20 m。在纵向上，共选取了50 m长度范围，隧道施工步距设置了25步，每步长2 m。此外，施工阶段还包括衬砌与锚杆的设置。

通过有限元计算，得到土体和隧道结构的工后模型和位移分布^[14]如图 5所示，可见，以基于台阶—CRD法的无中导洞连拱隧道开挖后，洞顶的变形会在数值和范围上显著大于其他部位，最大总体变形达到了15.3 cm。此外，左右洞虽采用了不同的施工方法，但最终的变形并无明显差异，这说明开挖方式的不同只影响变形的变化过程，但对最终变形影响不大。即使如此，在复杂地质区域，仍应优先采取分区分步开挖，以防止变形发展过快，支护结构因未达到设计强度而无法承担大变形引起荷载，进而发生塌方等破坏。

图 5 工后模型位移(单位: mm) Fig. 5 Total displacements of models after construction (unit: mm)

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以4处拱顶点(图 6)为代表，分析无中导洞连拱隧道随施工阶段的拱顶沉降变化。将有限元每阶段的结算结果进行提取，得到关键测点的拱顶沉降时程曲线，如图 6所示。

图 6 拱顶沉降随施工阶段的变化规律 Fig. 6 Settlements of arch vault varying with construction stages

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可见，测点的受扰动顺序为C→D→A→B，符合实际施工顺序。从沉降演变速度来看，先行洞明显大于后行洞，即沉降曲线更陡，这说明与先行洞的台阶法相比，后行洞采用的CRD法对围岩的扰动更小。从沉降数值来看，先行洞略微大于后行洞，不过总体处于同一水平，在120~140 mm范围内。这说明采用不同的开挖方法进行隧道施工时(断面尺寸、支护参数和地层参数一样的情况下)，虽然变形的发展过程不一样，但最终的累积变形是几乎相等的。

然而，这并不是说不用关注开挖方法的区别，因为变形发展过程的特性往往是决定结构是否发生破坏的关键。如图 7所示，两种发展形态具有相同的最终累积变形，t₂代表支护达到设计强度的时刻。在t₁时刻，由于发展形态2变形较大，更容易发生破坏。形态1在t₂以前变形发展缓慢，在t₂之后变形发展迅速；形态2正好相反。相比而言，形态2更危险，因为在支护强度不足时，过大的变形更容易引发破坏。这表明了变形发展过程特性对结构安全的影响。因此，需要针对不同荷载释放特性的围岩设定相适应的施工方法，并且在保证施工进度和成本的前提下，在软弱复杂地质区域进行隧道施工应尽量遵循“分步分区、短开挖、早支护”的原则。

图 7 工后模型整体变形 Fig. 7 Overall deformation of model after construction

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以4处周边测点(图 8)为代表，分析无中导洞连拱隧道随施工阶段的洞周水平位演变规律。将有限元每阶段的结算结果进行提取，得到这4个关键测点的水平位移时程曲线，如图 8所示。

图 8 水平收敛时程曲线 Fig. 8 Time-history curves of horizontal convergence

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可见，测点的受扰动顺序为C→D→A→B，符合实际施工顺序。从位移数值来看，后行洞测点B，D的水平位于略微大于先行洞的水平位移，但几乎处于同一水平上，在36~40 mm范围内。与拱顶沉降相比，隧道结构的水平位移偏小，只占前者的1/3，即拱顶沉降∶周边收敛≈3∶2。由此表明，在这种地层采用无中导洞方法施工连拱隧道，需要给予拱顶沉降更多的关注，而这种施工方法和结构自身具有一定的约束水平变形的能力。

此外，结构变形主要发生在各自断面处施工的时间段内，这与地层的荷载释放速度有关，而其根本原因在于地层自身的物理力学特性，如弹性模量、强度等指标。在断面处施工的时间范围以外，测点的变形是受到了邻近区域开挖的影响。从图 9可以看出，先行洞开挖时，后行洞相同纵向距离处尚未开挖的土体作为先行洞的围岩也发生了变形。但由于图中的这4个测点相距较远，该影响不明显。

图 9 塑性区分布随施工阶段的变化 Fig. 9 Distribution of plastic zones varying with construction stages

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根据数值模拟计算得到了围岩以及隧道断面的塑性区分布演变规律，提取了4个关键施工阶段处的塑性区分布如图 9所示。云图中隧道围岩及支护结构深色区域表示处于其塑性承载状态，浅色区域表示其处于塑性松动状态，无色区域则表示其处于弹性状态或此处无单元^[15]。

可见，随着连拱隧道无中导洞施工开挖，先行洞范围出现了较多的塑性区：掌子面处的岩土体以塑性承载状态居多，而洞周少量围岩处于塑性松动状态，大部分围岩处于弹性状态。此外，由于采用了三台阶预留核心土法开挖，左洞上台阶核心土后的土体处于弹性状态，这说明了核心土对掌子面的稳定具有较大影响。当施工阶段达到50%时，后行洞范围也出现了较多的塑性区。将左右洞的塑性区范围进行对比分析可发现，由于后行洞采用了更为保守的施工方法，在受到先行洞影响的情况下右洞范围的塑性区依然较少，整体处于稳定状态。随着施工继续推进，已经支护完成的隧道区段塑性承载状态在减少，至施工完全结束时，洞周的塑性范围＜0.5倍洞径，以松动状态为主，但在右洞的右下侧拱脚处仍有一定的塑性承载状态。在施工模拟的全过程中，未出现张拉破坏的部位，充分证明了该工法在复杂地质条件下的适用性和有效性。

对左线隧道k80+110~k80+210断面、右线隧道k80+049.73~k80+149.73断面进行了为期46 d的现场监测，包括拱顶沉降、周边收敛两项，总结监测结果如图 10所示。从监测结果中可以看出，拱顶沉降与周边收敛具有相似的演变规律，但是在量级上大约是2∶1的关系。这一现象验证了数值模拟的结果，虽然数值结果中两者的关系约为3∶2，但也定性说明了在这种复杂地质条件下使用无中导洞法修建连拱隧道需要尤其控制拱顶的沉降。

图 10 现场监测断面与监测结果 Fig. 10 On-site monitoring section and monitoring result

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在后行洞施工至先行洞监测断面时，测点处受到了一定影响(增幅为12~20 mm)。由于实际施工二衬与掌子面的距离设置为15 m，而先、后行洞相距20 m，因此，在后行洞达到监测断面时，该断面已完成了二衬的浇注。可以得知，若先行洞此时未施作二衬，既有结构将受到更大的影响，这也是连拱隧道施工中常见的问题。此经验表明，先、后行洞需要相距足够远，使得先行洞二衬在后行洞接近前完成施工。

现场监测结果反映了结构的变形具有一定的阶段性，在施工扰动较大的时候，结构会发生较快的变形，完成荷载的释放，此后以徐变为主。需要注意的是，并非所有的围岩条件都具有这种特性，例如在陕南秦巴山区修建隧道变形时会出现极端的软岩大变形现象，在支护后，岩土体的应力释放仍会持续较长时间。因此，在案例中这种地层环境下，分区分步开挖和及时支护是十分必要的，这也正与其所采用的施工方法相吻合。

根据现场监测数据，无中导洞连拱隧道先行洞和后行洞会相互影响：在后行洞施工至先行洞监测断面时，先行洞测点变形增幅为12~20 mm。因此，双洞距离是重要的施工参数^[16-18]。较大的双洞距离利于结构安全，较小的双洞距离利于缩短施工工期。通过数值模拟，研究不同双洞距离下的结构安全状态，确定较优双洞距离。

为了确定无中导洞连拱隧道先行洞超前后行洞的最佳距离，选取先行洞超前后行洞10，20，30，40 m这4种工况。采用数值模拟进行分析，研究隧道开挖过程中先行洞在不同超前距离情况下隧道的位移以及塑性区的分布情况。图 11和图 12分别反映了不同工况的结构位移以及围岩塑性区分布情况。结果表明：超前10 m对应的隧道位移最大，随着超前距离的增大，隧道位移逐渐减小，其减小趋势趋近于对数曲线。当超前20，30，40 m时的隧道位移较小，且这3个超前距离对应的隧道位移以及塑性区之间已经没有太大的变化。因此从减少施工对土体的扰动，围岩稳定以及缩短施工工期方面综合性考虑，先行洞超前后行洞的最佳超前距离建议取值20~30 m。

图 11 水平收敛时程曲线 Fig. 11 Horizontal convergence time-history curves

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图 12 不同工况塑性区分布 Fig. 12 Distributions of plastic zones under different working conditions

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考虑围岩的稳定以及塑性区的分布对无中导洞连拱隧道先行洞超前后行洞的距离进行比选，其结果如下。

(1) 连拱隧道因其固有的空间尺度特征，可在复杂地层避免隧道穿越一些不良地质，如岩溶、地裂缝等。无中导洞作为一种新的施工方法，提高了隧道施工的效率，可在类似地区被采用。

(2) 根据数值和实测结果，无中导洞连拱隧道施工中，结构的变形以拱顶沉降最为突出(大于10 cm)，其约为水平收敛的2倍，在施工期需要格外关注。

(3) 后行洞施工会对先行洞造成一定影响，若先行洞未施作二衬，既有结构可能发生破坏。因此，先、后行洞需要相距足够远，使得先行洞二衬在后行洞接近前完成施工。综合考虑安全与施工成本等因素，该距离建议定为20~30 m。

(4) 结构的变形具有一定的阶段性，即结构的变形主要发生在施工扰动期。在软弱复杂地质区域施工隧道，应遵循“分步分区、短开挖、早支护”的原则。