1 引言
20 世紀90 年代以來，我國高等級公路建設進入一個高速發展時期。在山區高等級公路的修建中，連拱隧道作為一種新的隧道形式，得到越來越廣泛的應用[1]。雖然連拱隧道近年來發展迅速，但因其設計和施工方法還不成熟，目前仍缺少有效的可以類比的工程借鑑。存在的諸多問題中，除了對連拱隧道的力學特性沒有進行深入的研究外，另一個重要問題是連拱隧道本身結構型式不盡合理 [2,3]。
作為連拱隧道結構的重要組成部分，中牆的設計合理與否，關係到整個隧道的穩定與否。
在隧道修建過程中，中牆受力非常複雜，在偏壓連拱隧道中尤為突出。對於偏壓連拱隧道，中牆不僅要承受隧道結構兩側覆土不對稱引起的地形偏壓；還在左右洞施工過程中，承受由於不對稱施工引起的施工偏壓[4]，從而產生不對稱的應力和應變，直接影響到隧道的總體穩定性[5]。因此，有必要結合實際工程對偏壓連拱隧道中牆的力學特性進行分析研究，從而對其進行優化設計，使中牆受力更合理，隧道更加穩定，這對雙連拱隧道的設計施工具有重要的借鑑和指導意義[6-8]。
2 工程概況
沙塘坑隧道位於四會市黃田鎮沙塘坑，設計為雙跨連拱式隧道，隧道走向呈近南東——北西向展布，山頂高程約95 m，隧道最大埋深約43m，設計隧道起訖樁號為K48+375～K48+575，全長200m，均採用鋼筋混凝土洞門形式。隧道區在地貌上屬於剝蝕丘陵地貌型別，隧道橫穿山丘，進出口段自然坡度較陡，坡角約為35～40°。隧道處地質構造上位於燕山期四會序列江頭單元侵入岩體中，岩石為細、中粒黑雲母花崗岩，灰白色、肉紅色，細粒花崗結構，塊狀構造；節理裂隙較發育，節理產狀以215°～260°∠45°～50°和65°～80°∠75°～80°為主。
沙塘坑隧道建築限界淨寬31.1（14.0×2+3.1）m，淨高5 m，採用複合式曲中牆結構，中牆高4.0 m，寬2.8 m。沙塘坑隧道施工方法為:Ⅲ、Ⅳ級圍巖採用中導洞法,Ⅴ級圍巖用三導洞法。
3 優化設計分析
3.1 計算模型
本文以沙塘坑隧道K48+520 斷面（Ⅴ級圍巖）為例，建立兩組實驗模型，模型一為原設計的中牆形式，設定在中導洞中央的對稱形式；模型二為優化的中牆設計形式，向深埋側（圍巖壓力大的一側）偏移的不對稱設定，中牆整體向深埋側平移1 m，其他條件不變。採用ANSYS 二維有限元模擬兩種情況下中牆的受力和變形情況。邊界條件為：上邊界自由約束，下邊界豎向約束，取3 倍隧道結構高度，兩側邊界水平約束，取4 倍隧道結構寬度。簡化的計算模型。
根據隧道圍巖的物理力學性質，在有限元計算當中，採用了彈塑性的非線性有限元法。
圍巖材料的本構模型採用Drucker-Prager(D-P)模型，計算隧道結構與地層在開挖過程中發生的非線性變形特性。在對隧道進行開挖過程的數值模擬分析中，計算程式採用了ANSYS 有限元分析軟體。隧道施工的分步開挖過程通過軟體提供單元的“生(alive)”和“死(kill)來實現[9]。在計算過程中，圍巖和支護結構均採用ANSYS 程式彙總的PLANE42 單元來加以模擬。在進行有限元計算時，中牆、圍巖和支護結構的物理力學引數依據設計資料確定，具體取值。
3.2 計算工序
本文研究的是 K48+520 斷面中牆的受力和變形情況，因該斷面處是Ⅴ級圍巖，故施工過程中採用的三導洞法，其具體的施工工序是：1 中導洞開挖及支護；2 澆築中牆及上部土回填；3 左導洞開挖及支護；4 右導洞開挖及支護；5 左洞上臺階開挖及支護；6 左洞上下臺階開挖及支護；7 右洞上臺階開挖及支護；8 右洞下臺階開挖及支護。
3.3 計算結果分析
本文主要針對沙塘坑隧道中牆進行計算分析，研究在兩個不同模型條件下中牆的應力和應變情況。
3.3.1 中牆應力分析
中牆在兩個不同模型下隨著隧道開挖過程其應力情況模擬結果如下表。