无中导洞双连拱隧道ABAQUS施工力学响应仿真 原创

关键词：双连拱隧道；ABAQUS；施工力学；参数优化；围岩变形

一、文章简要介绍

双连拱隧道取消了中导洞后施工效率高、造价低，但左右洞零间距开挖容易造成结构扰动失控，后行洞施工经常把先行洞衬砌拉裂。本文以云南新街隧道为工程背景，用相似模型试验加ABAQUS三维有限元仿真，系统研究了施工过程中结构的力学响应与破坏演化，重点揭示了后行洞开挖对先行洞的应力干扰机制（Chen等，Scientific Reports 2025，DOI: 10.1038/s41598-025-17511-2）。

图1 ABAQUS三维数值模型（144m×32m×100m，含开挖步序）

图1为ABAQUS建立的三维数值模型：尺寸按相似比放大40倍，取144m长×32m宽×100m高，模型边界距离洞周超过2倍洞跨，消除边界效应。围岩采用Mohr-Coulomb强度准则，衬砌按线弹性材料建模。

二、仿真步骤

步骤一：模型建立与参数标定。数值模型尺寸和参数依据物理模型试验确定，围岩取容重18 kN/m3、弹性模量1.0 MPa、黏聚力80 kPa、内摩擦角20度；初期支护弹模23 GPa，二次衬砌弹模30 GPa。前、后、侧边界施加法向约束，底部竖向约束，顶部自由。

图2 拱顶围岩竖向位移数值结果与模型试验对比验证

图2为数值结果与模型试验的对比验证：以拱顶围岩竖向位移为例，数值模拟与试验的变形趋势一致，均呈现缓慢—快速—缓慢的三阶段特征。后行洞开挖使先行洞F3点产生约28.27%的附加沉降，与试验得到的25.56%接近，验证了仿真方案的可靠性。

步骤二：后行洞施工参数敏感性分析。在验证模型基础上，设计了11种开挖工况，系统考察开挖方法（双台阶预留核心土法、两台阶临时仰拱法、中隔壁法先左后右/先右后左）、单步进尺（2/3/4 m）和左右洞掌子面错距（6/12/18 m）对结构内力和围岩变形的影响。

图3 不同开挖方法下围岩竖向变形云图对比

图3为不同开挖方法下的围岩竖向变形云图：相比原方案，优化开挖方法使拱顶沉降分别降低0.63%、13.07%和5.98%，仰拱隆起降低8.23%和8.56%，中隔壁法（先左后右）对围岩变形控制效果最好。

图4 不同开挖方法下围岩塑性区分布云图

图4为不同开挖方法下的塑性区分布：全断面法塑性区范围最大，后行洞邻近先行洞一侧先开挖的中隔壁法塑性区最小，能有效抑制结构—围岩界面的不稳定演化。

三、关键结果与发现

第一，后行洞施工是双连拱隧道整体稳定的关键控制因素：后行洞开挖使先行洞拱顶沉降增加25.56%，先行洞右拱肩、右边墙和仰拱承受叠加偏载，是结构应力重分布和初始破坏的主导区域。第二，单步进尺超过3 m后结构响应进入非线性阶段：进尺从2 m增到4 m，衬砌最大轴力增大107.93%、弯矩增大282.64%，塑性区最大等效应变从2.07e-2猛增到6.34e-2，建议单步进尺控制在3 m以内。

图5 不同单步进尺下前洞二次衬砌内力分布

图5为不同单步进尺下前洞二次衬砌的内力分布：随进尺增大，轴力和弯矩显著增加，右侧拱腰应力集中最明显，进尺4 m时结构已接近承载极限状态。

第三，掌子面错距存在最优值：错距从6 m增加到12 m，拱顶沉降降低25.45%、最大等效应变降低约31.18%；但继续增大到18 m后各项指标反弹，说明过大错距会削弱围岩约束能力。综合变形控制、内力响应和塑性区发展，12 m错距为最优施工参数。

图6 不同掌子面错距下围岩竖向位移云图

图6为不同掌子面错距下的围岩竖向位移云图：12 m错距时拱顶沉降最小，变形控制效果最佳。

图7 不同掌子面错距下围岩塑性区云图

图7为不同错距下的塑性区云图：塑性区随错距先减弱后增强，12 m错距时最大等效塑性应变降至2.33e-2，较6 m工况降低约31.18%。

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①隧道及地下工程三维建模与施工过程仿真（ABAQUS，含开挖步序、支护施作）；②Mohr-Coulomb/DP等本构模型的围岩稳定性分析；③施工方案比选与参数优化（开挖方法、进尺、错距）；④衬砌内力提取与裂缝风险评估；⑤模型试验与数值仿真联合验证。这类零间距开挖的偏压扰动工况我们处理过不少，合理控制施工参数对隧道结构安全有直接指导意义。

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