基于開挖卸荷效應(yīng)的地鐵隧道施工過程數(shù)值分析

劉陽+代紅濤

摘 要：在地鐵隧道開挖施工中，圍巖受力情況非常復(fù)雜，一直處于加、卸的反復(fù)變化中，并且上一步的開挖會直接影響著后續(xù)所有的開挖步驟。該文簡單介紹了地鐵隧道施工中的開挖卸荷效應(yīng)，并將其劃分成了4個環(huán)節(jié)來進(jìn)行數(shù)值模擬，最后分析了開挖面支護(hù)力以及支護(hù)、注漿時機(jī)對模擬結(jié)果的影響，以期為地鐵隧道的開挖施工提供一定的參考資料。

關(guān)鍵詞：開挖卸荷效應(yīng) 地鐵隧道 數(shù)值分析

中圖分類號：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）09（b）-0048-02

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的地鐵建設(shè)越來越多，施工安全問題受到越來越廣泛的關(guān)注。而計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用推進(jìn)了數(shù)值模擬方法的發(fā)展，該方法可以模擬隧道施工中的開挖面空間效應(yīng)，與實(shí)際工程較為符合，被認(rèn)為是現(xiàn)階段解決隧道工程中各種問題的最有效的方法之一。

1 地鐵隧道施工中的開挖卸荷效應(yīng)

地鐵隧道施工處于地下，原來巖石的應(yīng)力和施工中的支護(hù)力在加載上是不具同步性的，通常是“先受力、再開挖、最后支護(hù)”，開挖施工中首先加載的是原巖應(yīng)力，在該力加載上一定的時間后，支護(hù)力才能加載上去。綜合考慮地鐵隧道施工現(xiàn)場的條件以及各種參數(shù)，促使土體形成產(chǎn)生最原始的應(yīng)力場，然后在土體處于原始應(yīng)力的情況下，實(shí)施隧道的分步驟開挖施工。值得注意的是，在開挖施工的過程中，由于開挖層面上受到一定的推力，前面還沒有開挖的土體會產(chǎn)生一定的支撐力，所以，開挖施工后周圍巖石的彈塑性會發(fā)生變形，并且隨著距離開挖面的不同，變形程度會發(fā)生不同的變化。

2 開挖卸荷效應(yīng)的作用過程及數(shù)值模擬案例

2.1 開挖卸荷效應(yīng)的作用過程

（1）開挖環(huán)節(jié)。

在盾構(gòu)刀盤推進(jìn)的過程中，開挖層面上的土體逐漸被清除，這就產(chǎn)生了臨空面。但是，盾構(gòu)機(jī)產(chǎn)生的推力會在一定程度上起到支撐開挖面的作用，促進(jìn)開挖面保持一定的穩(wěn)定。通常情況下，盾殼的直徑是小于盾構(gòu)刀盤直徑的，再加上土體開挖時超挖等問題的影響，土體、盾殼兩者之間會產(chǎn)生各種各樣的空隙，該空隙通常是環(huán)形的，并且呈現(xiàn)出上大下小的規(guī)律。這時的土體是處于臨空狀態(tài)的，會馬上產(chǎn)生彈塑性變形，一直到空隙被填滿，也就是土體接觸到盾殼甚至壓實(shí)為止。在該環(huán)節(jié)中，開挖步數(shù)的確定是根據(jù)圍巖彈塑性變形的程度來確定的。在開挖施工之后，當(dāng)圍巖產(chǎn)生的變形充滿了土體、盾殼之間的空隙時，這是劃分該環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)。

（2）臨時支護(hù)環(huán)節(jié)——增設(shè)盾殼。

在土體、盾殼之間的空隙被填滿使得兩者相互接觸時，盾殼就會具備暫時的支護(hù)功能，起到一定的支護(hù)作用，并形成相應(yīng)的支護(hù)反作用力，來防止土體彈塑性變形的持續(xù)發(fā)生，一直到土體、盾殼處于平衡的狀態(tài)。在該環(huán)節(jié)中，通常按照盾殼長度來確定增設(shè)盾殼的步數(shù)。

（3）臨時支護(hù)環(huán)節(jié)——移除盾殼。

在盾構(gòu)機(jī)不斷推進(jìn)的過程中，襯砌管片在離開盾尾的時候，可能會因?yàn)槎軞ず穸?、管片和盾殼間空隙等的影響，進(jìn)而導(dǎo)致臨空面的產(chǎn)生。為了在最大程度上避免地層的變形，通常會采取盾尾注漿的措施。

（4）永久支護(hù)環(huán)節(jié)——增設(shè)襯砌管。

在管片、土體之間的空隙被漿液填滿使得兩者接觸時，管片就會具備永久支護(hù)的功能，并起到一定的支護(hù)作用，同時產(chǎn)生相應(yīng)的支護(hù)反作用力，防止土體進(jìn)一步發(fā)生彈塑性變形，一直到土體、管片處于平衡的狀態(tài)，變形不再繼續(xù)。在該環(huán)節(jié)中，通常情況下按照開挖的長度來確定管片支護(hù)步數(shù)[1]，如圖1所示。

2.2 開挖卸荷效應(yīng)的數(shù)值模型的建立

經(jīng)過以上4個環(huán)節(jié)的區(qū)分、實(shí)施，可以實(shí)現(xiàn)基于開挖卸荷效應(yīng)的地鐵隧道施工過程數(shù)值分析。由于FLAC3D現(xiàn)在還不能對盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程進(jìn)行直接的動態(tài)模擬，因此要對其進(jìn)行一定的簡單化處理。一般情況下是將推進(jìn)過程視為非連續(xù)的，是一個逐步推進(jìn)的過程，并將每次向前推進(jìn)的距離視為1個襯砌管片的寬度。根據(jù)上述4個階段，在初始地應(yīng)力條件下對整個隧道施工進(jìn)行模擬，在每一段過程中的不同時間點(diǎn)均會產(chǎn)生開挖卸荷效應(yīng)，對上述4個階段進(jìn)行不斷循環(huán)，也就是盾構(gòu)機(jī)不停地向前推進(jìn)的過程。圖2是以某地鐵隧道為案例的開挖卸荷效應(yīng)的FLAC計(jì)算中的應(yīng)力和位移圖片。

3 影響開挖卸荷的主要因素

3.1 注漿對地表沉降的影響

增設(shè)管片襯砌的時間會明顯影響地表的沉降。據(jù)相關(guān)研究表明，當(dāng)增設(shè)管片襯砌的時間比較晚時，最大沉降值會大約提高13 mm，與總的沉降值相比，其增加的程度比較大，而增設(shè)管片襯砌時間的早晚主要表現(xiàn)在填充漿液后孔隙沒有被充滿的大小。增設(shè)管片的時間越晚，表明沒有被漿液填充的孔隙越大。

3.2 支護(hù)時機(jī)對地表沉降的影響

在開挖卸荷數(shù)值模擬的過程中，增設(shè)盾殼的時間會明顯影響地表的沉降。據(jù)相關(guān)研究表明，當(dāng)增設(shè)盾殼的時間比較晚時，最大沉降值會大約提高15 mm，與總的沉降量相比，其增加的程度比較大，這一現(xiàn)象說明支護(hù)的時間會明顯影響地表的沉降。

3.3 開挖工作面對開挖卸荷數(shù)值模擬的影響

據(jù)相關(guān)研究表明，與保持開挖面穩(wěn)定時需要的最小支護(hù)力相比，如果開挖工作面上的支護(hù)力偏大，那么隨著開挖面逐漸向前移動，在開挖面前面的地表會產(chǎn)生隆起的現(xiàn)象，在開挖面經(jīng)過此處時，地表會產(chǎn)生下沉的現(xiàn)象，而開挖面后方逐漸穩(wěn)定。但是，當(dāng)開挖工作面上的支護(hù)力偏小時，那么隨著開挖面逐漸向前移動，在開挖面前面的地表不會產(chǎn)生隆起的現(xiàn)象，會產(chǎn)生持續(xù)沉降的現(xiàn)象，一直到開挖面后方逐漸穩(wěn)定[2]。

4 結(jié)語

通過將地鐵隧道開挖卸荷還分成4個環(huán)節(jié)，對開挖卸荷效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，而且相關(guān)研究表明其模擬結(jié)果會受到多種因素的影響。所以，在地鐵隧道施工中應(yīng)當(dāng)選擇合適的平衡力、把握好注漿與支護(hù)的時機(jī)、減少超挖現(xiàn)象等等，為地鐵隧道的開挖施工提供一定的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 侯公羽，劉宏偉，李晶晶，等.基于開挖卸荷效應(yīng)的地鐵隧道施工過程數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013（S1）：2915-2924.

[2] 侯公羽.關(guān)于圍巖-支護(hù)相互作用機(jī)制的討論與新認(rèn)識[J].煤礦支護(hù)，2008（1）：2-7.