结合客运专线建设，对使用双侧壁导坑法施工特大 跨度黄土隧道进行了有限元数值模拟，对隧道的初期支护的位 移、钢拱架的有效应力以及地表的沉降进行了研究，为特大跨 度黄土隧道设计和施工提供了科学的依据。

随着隧道工程建设的发展，以及施工技术研究工作的深 入和机械设备的不断推陈出新，尤其是新奥法理论的曰趋完善 和TBM施工方法在世界范围内的广泛应用，特大断面隧道施 工方法较80年代以前有了很大的改进。传统的挖掘方法已经 基本淘汰，取而代之的更快、更安全、更有效、更有利围岩及掌 子面稳定的大断面开挖掘进的多种施工新技术，如台阶法、CD 法和CRD法、双侧壁导坑法等等。结合客运专线建设,对特大 跨度黄土隧道动态施工过程进行了数值模拟研究，为特大跨度 隧道设计和施工提供了科学的依据。

隧道所经地区主要为黄土台堀区，黄土台墀顶部平坦、开 阔，周边冲沟发育，沟内均无常年流水。地形地貌简单，地层、岩 性较单一，该段南北向发育一条大冲沟（远望沟），沟谷呈“V” 字形，沟底宽约2 ~ 4m，顶部宽约500 ~700m,沟深约200 ~ 220m,长约4.5km,沟底南高北低，汇入黄河。隧道经过的黄土 堀表层为第四系上更新统风积的砂质黄土所覆盖，下伏上更新 统冲积砂质黄土，中间夹有数层古土壤层;一级黄土台堀区，表 层为第四系上更新统风积的砂质黄土，厚20~45m,下伏第四 系中、下更新统风积的砂质黄土，中间夹有数层古土壤层，（粉 质黏土）总厚150 ~ 200m,底部为冰湖积粉质黏土及砂层。

根据隧道通过区出露的地层岩性及地层结构特征，并结 合含水介质的不同，将测区地下水分为黄土孔隙、裂隙潜水和 砂夹砾石层孔隙承压水两大类。前者主要储存于中更新统黄 ±、下更新统黄土，后者主要储存于下更新统冰湖相砂夹砾石 层。隧道洞身绝大段落无水。

ADINA软件的最早版本出现于1975,在K. J. Bathe博 士的带领下,其研究小组共同幵发出ADINA有限元分析软件。ADINA除了求解线性问题外，还具备分析结构非线性问题和 动力学问题的强大功能，以及温度、渗流、CFD流体以及相互 耦合的力学现象。产品的主要特色是理论基础深厚、求解能力 强大、具备理论严谨性、技术先进性、求解高效性。  

ADINA提供了 7种专用于土木建筑的材料本构：曲线描 述的粘土材料、Drucker-Prager材料,Cam-clay材料、 Mohr-coulomb材料、混凝土材料、LUBBY2徐变模型、多孔介 质材料。除此之外,ADINA还提供通用的线弹性、弹塑性、粘 弹、粘塑、蠕变、流体、热等各种材料本构。

除常规单元如 Beam,Truss,2D-Solid,3D-Solid,Shell, Plate, Membrane, Cable 和 Spring 等单元算法外,AD IAN 还 提供如下的单元算法，专用于土木建筑工程问题的模拟：

1. 弯矩-曲率梁单元；

2. 实体单元-板壳单元之间的过渡单元和梁单元-实体 单元的过渡单元；

3. 皎点和刚性铉；

4. 单元生死；

为了能更加清楚地模拟特大跨度黄土隧道的施工过程， 本文运用ADINA 8.3进行数值分析，其中土体和初期支护釆 用8节点Solid-3D单元模拟,土体单元材料选用M-C材料 模拟，因新黄土的剪切膨胀不明显，故在模拟时不考虑剪切膨 胀的膨胀效应，地层的参数见表1.初期支护单元采用Concrete 材料模拟,这种材料可以分析的非线性模式包括:开裂和 压碎效应.材料选用C30混凝土，厚度为30cm,在施工中还 釆用22a工字钢支护（表1~2）.

ADINA程序中提供了单元的“生”和“死”，可以很方便地 模拟分步开挖，其实现是通过把要杀死的土体单元刚度和质量 乘以一个很小的因子，并且ADINA提供了单元生死的时间， 即刚度因子1~0的时间，从而实现应力的缓慢释放，这一点和 我们现实中土应力缓慢释放是相同的.从而可以很好地模拟围岩的应力释放以及喷射混凝土的工作过程.在模拟计算中， 采用的是在某黄土隧道施工中实际量测得变形,反算得应力释 放值，取应力释放30%,开挖的循环进尺为0.6m.双侧壁导 坑法施工过程如图1所示。

模型的计算限制，考虑到圣维南原理，取周围土的尺寸为 隧道宽度的3~5倍，模型尺寸为：100mx80mx60m （宽x 高x长）；拱顶地层考虑到成拱作用E拱顶的厚度取为 20.2m；隧道形状为曲墙式.跨度为16.6m.初始地应力按自 重应力考虑，计算模型（图2）.钢拱架（图3）。

在本次分析有限元结果分析中，为了更清楚地说明钢拱 架上的位移和有效应力的情况，在分析结果提取的为第30棉 钢拱架上的数据（因模型共60棉，中间钢拱架受到模型约束 影响较小,故取第30棉）。

1. 初期支护位移分析

（图4-1）中列出了第30桶钢拱架前三次生成的节点的位 移变化曲线图。图4-2中列出了第30棉钢拱架后四次生成的 节点的位移变化曲线图。钢拱架中间水平支撑的中间节点位移 较大,特别是在下面钢拱架直接和围岩直接接触时位移较大,从 仰拱幵挖到初期支护完毕后，中间水平支撑的竖向位移变化很 大，由较大的位移变小，说明在仰拱部位没有开挖时，水平支撑 受到很大的竖直向上的力。在总的开挖过程中，第七次生成的单 元的位移较小，因为在该部分幵挖支护时，整个隧道的基底都会 做处理。由于前面开挖的部分会受到后面开挖的影响，应力重分 配，故先开挖部分的位移大于后幵挖的部分。在该断面上的钢拱 架的节点位移并没有随着开挖面的通过而停止，而是随着时间 的增长位移也在增长，只是增长的曲线曲率比较小。说明在整个 开挖分析中，开挖面的结果是受前后的开挖影响。

注：（图4-1、4-2）中所示X轴为相对时间，丫轴为位移 （单位mm）；本文所有初期支护节点位移曲线图，如无特殊说 明，坐标轴含义均与本图相同。

2. 钢拱架应力分析

（1） 钢拱架轴力分析

从（图5）中可以看出钢拱架都处于受压状态，而且中导洞 的钢拱架的轴向压力较大，最大值为51.5kN,而两侧洞的钢支 撑压力较小,特别是上台阶的水平支撑。这是因为两侧导坑形 成以后，水平横撑在竖向荷载和水平荷载的作用下，承受压应 力；但当中导洞开挖以后，中间的水平荷载消失,在竖向荷载的 作用下，发生向内变形，导致两侧壁的水平横撑的应力下降;而 中间横撑因受到两侧壁的向内变形的影响，应力不断增大，从 而形成了中导洞水平横撑的应力较两侧壁的大。

（2） 钢拱架弯矩分析

从（图6）中可以得出，在该断面上的钢拱架的最终的弯矩 值最大值为17」kN?m,左、右导坑的钢拱架的弯矩值较大，而 中间导坑的顶部钢拱架弯矩值较小，而且左右两个下导坑的水 平支撑弯矩较大，说明土的侧压力较大，并且是在较大的节点 力的作用下。中间竖向临时支撑的弯矩很小，说明该部分初期 支护中的钢拱架的作用不是很明显，主要还是喷射混凝土的作 用，在一定的条件下可以适当减小中间竖向钢拱架的截面面 积，以减少不必要的浪费。在两侧壁底部的钢拱架出现了较大 的弯矩，说明围岩的水平压力较大，在竖向荷载的共同作用下， 产生较大的弯矩。

3. 地表沉降分析

（图7）,左边的沉降明显大于右边，从开挖的过程中看，第 五次开挖（开挖中间导洞的上部）沉降差值最大;在整个模型中 左边边界的沉降值和右边边界的沉降值相同，而且在距离边界 的近20m的范围内竖向位移基本相同；边界的沉降量并不为 零，说明该模型的范围还是受到边界约束的影响，但是其值很 小为-4mm,基本可以忽略，从这一点可以说明该分析模型的 范围是合理的。在幵挖竖向沉降中可以看出，第一次开挖的沉 降值较大，这说明在没有开挖时该处已经出现了沉降，该部分 的沉降是在前面开挖和支护引起的。该开挖沉降和普通的单线 隧道出现在沉降值呈现正态分布特点不同，也和两条平行的双 线隧道的沉降曲线不同。因为在实际开挖中，两侧壁导坑的距 离较近，不仅会出现开挖的沉降的相互叠加，也会因为前面的 开挖形成了稳定的结构而影响了隧道围岩的变形。

结论：

1. 采用双侧壁导坑法施工特大跨度黄土隧道，围岩位移最 大为28mm,说明该工法下对控制围岩的变形具有较好的效果。

2. 从第30棉钢拱架上的弯矩和轴力情况可以得知，中导 洞的钢拱架上的轴力较大，而两侧壁的轴力较小;但中导洞的 钢拱架上弯矩较大，且两侧壁的弯矩和中导洞相差较小。两侧 壁的底部的弯矩较大，在实际施工中要注意该部分,最好提前 修筑仰拱，从而保护该部位。

3. 地表的沉降主要是开挖前形成的和第五次开挖（中导 洞上部）形成的。控制掌子面的水平位移可以较好地控制该部 位开挖前位移。