地鐵隧道臺階法施工的模擬與分析

摘 要：地鐵已成為最具前景的城市交通運輸方式之一。依據沈陽地鐵一號線某段工程實例，采用拉格朗日有限差分程序FLAC3D對預留核心土臺階法施工進行了數值模擬，得到了地鐵隧道豎向位移云圖、豎向應力云圖和剪切應變增量云圖等。數值模擬結果表明：臺階法施工第一階段，拱頂下沉約為1cm左右，拱底底鼓約為11.0cm左右，第二階段，隨著核心土被挖掉，拱底底鼓情況更為嚴重，并且在地鐵隧道兩幫處發生應力集中和剪切帶，地鐵隧道最容易發生破壞，這為地鐵隧道施工提供了建議。

關鍵詞：地鐵隧道 臺階法施工 數值模擬 剪切應變

中圖分類號：TU443 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）04（b）-0054-02

地鐵隧道已成為特大型城市、省會城市和經濟發達的沿海城市的主要交通運輸手段。地鐵規劃、設計和施工需要消耗大量資源，而且由于各地區的工程地質水文差別巨大、周圍環境也各不相同，施工時容易發生周圍巖體變形過大、甚至發生塌方破壞的危險，因此對地鐵隧道施工過程中產生的位移場、應力場和剪切應變場進行深入分析，研究其變化規律成為重要的工程問題[1-3]。

文獻[4]對軟弱圍巖隧道臺階法施工進行了分析，并對不同臺階高度選擇值進行了數值模擬，分析了不同臺階高度選擇值對拱頂位移和掌子面擠出變形的影響，得到了一些有益的結論。文獻[5]針對Ⅳ級以上圍巖軟弱破碎，巖土體強度低等特點，對某隧道CRD法與上下臺階法開挖進行了數值模擬，分析了隧道開挖過程中圍巖的應力、位移及塑性區發展情況。

1 工程實例

本區間起于張士站東端，沿開發大路向東前行，在遼寧金帝建設集團股份有限公司第二建筑工程公司材料供應處前，線路略向右偏，后折向北，穿越沈陽市西部石材市場進入太湖街，沿太湖街至沈新路站。隧道采用暗挖法施工，馬蹄形斷面，復合襯砌。線路呈“∨”坡，隧道結構底最大埋深19.634 m（覆土厚度13.184 m），最小埋深13.524 m（覆土厚7.074 m），平均埋深16.580 m（覆土厚度10.130 m）。

2 臺階法施工模擬

2.1 建立模型

本次數值模擬采用沈陽地鐵一號線工程某段作為數值計算的原型，按照三維模型建立地鐵隧道有限元模型，本次地鐵隧道模型的總高度為40m，地鐵隧道橫向寬度取50m，前后方向取20m，這主要考慮到較小的尺寸會產生明顯的邊界影響；數值模型的節點總數為13241個，總單元個數為10800個。

2.2 本構模型及參數選取

本次數值分析采用摩爾-庫倫本構模型，這是由于摩爾-庫倫本構模型可以較好地模擬巖土材料的摩擦特性。摩爾-庫倫本構模型是一種彈-塑性本構模型，在應力-應變曲線達到屈服點之前，力與變形保持線性關系，卸載后無殘留變形；屈服之后，應力-應變曲線不再保持一一對應的關系。相關物理力學參數見表1所示。

2.3 邊界條件及開挖過程

本次數值模型的邊界條件如下：左右采用約束x方向位移，前后采用約束y方向位移，上頂面為自由表面、無約束，底部采用約束z方向位移，稱之為箱型邊界條件；開挖過程如下：首先開挖上臺階并保留核心土，支護；然后開挖核心土；最后開挖下層臺階，并支護。

3 結果分析

3.1 豎向位移分析

不同開挖及支護階段，地鐵隧道豎向位移云圖如圖2所示。通過分析圖1（a）可以發現：在地鐵隧道臺階法開挖第一階段，拱頂下沉約為1cm左右，發生在拱頂正上方；拱底底鼓約為11.0cm左右，發生在預留核心土部分，在拱底中心底鼓最為嚴重；在地鐵隧道臺階法開挖第二階段，拱頂下沉沒有發生太明顯變化，但隨著核心土被挖掉，拱底底鼓情況更為嚴重，應及時支護。在地鐵隧道臺階法開挖第三階段，地鐵隧道的拱頂、拱底的變形都逐漸趨于穩定。綜上分析可以看出：在預留核心土臺階法施工的過程中，第一次開挖的過程中，拱頂、拱底發生的變形最大，地鐵隧道最容易發生破壞，施工時應特別注意。

3.2 豎向應力分析

不同開挖及支護階段，地鐵隧道豎向應力云圖如圖2所示。通過分析圖2（a）可以發現：在地鐵隧道臺階法開挖第一階段，在地鐵隧道兩幫與隧道地面的交接處發生應力集中，且集中現象較為嚴重；核心土部分豎向應力約為0kPa，這是由于核心土上部沒有約束；在地鐵隧道臺階法開挖第二階段，地鐵隧道兩幫與隧道地面的交接處應力集中現象得到緩解；在地鐵隧道臺階法開挖第三階段，地鐵隧道兩幫發生一定的應力集中，但較前兩次開挖時的應力集中現象明顯減輕，也可以看出地鐵隧道拱頂受力狀態明顯比地鐵隧道拱底受力狀態有利。

3.3 剪切應變增量分析

不同開挖及支護階段，地鐵隧道剪切應變云圖如圖3所示。通過分析圖3（a）可以發現：在地鐵隧道臺階法開挖第一階段，在地鐵隧道兩幫與隧道地面交接處的剪切應變增量較大，并形成一個雙曲線形狀的剪切帶，說明在兩幫處容易發生剪切破壞。在地鐵隧道臺階法開挖第二階段，剪切帶有變大的趨勢，說明開挖對圍巖應力狀態造成了不利影響；在地鐵隧道臺階法開挖第三階段，剪切帶擴大并逐漸趨于穩定，在地鐵隧道兩幫處形成雙曲線類型的剪切帶。

3.4 拱頂豎向位移分析

地鐵隧道拱頂位移隨時間變化規律如圖4所示。由圖4可以看出：在臺階法施工的第一階段，拱頂豎向位移增長最快，并增長速度逐漸變小；數值模擬顯示24h后拱頂位移能達到總沉降的70%～80%，而后期沉降相對較小；監測數據與數值模擬大致相同，但監測數據顯示約5day后沉降才趨于穩定，這與數值模擬存在一定的出入。

4 結論

該文基于拉格朗日有限差分程序FLAC3D對預留核心土臺階法施工進行了數值模擬，得到了主要結論如下：

（1）通過對地鐵隧道豎向位移云圖分析可知：在預留核心土臺階法施工的過程中，第一次開挖的過程中，拱頂、拱底發生的變形最大，地鐵隧道最容易發生破壞，施工時應特別注意。

（2）通過對地鐵隧道剪切應變增量云圖分析可知：在地鐵隧道臺階法開挖施工過程中，將會在兩幫處產生一個雙曲線形狀的剪切帶，隨著開挖逐漸擴大并最終趨于穩定。

（3）拱頂位移表明：臺階法開挖施工開始時，拱頂位移增長速度較大，隨時間增長變形速率逐漸減小，并趨于穩定。

參考文獻

[1]陳立保.三臺階法在客運專線山嶺隧道軟弱圍巖中的推廣應用[J].鐵道工程學報，2008（12）：72-74.

[2]徐林生.財神梁隧道臺階法開挖施工數值模擬研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2008（4）：548-551.

[3]霍潤科，于振振，岳齊賢.隧道臺階法施工的數值模擬與分析[J].水利與建筑工程學報，2011（1）：6-9+46.

[4]宋曙光，李術才，李利平，等.超大斷面隧道軟弱破碎圍巖臺階法施工過程力學效應規律研究[J].隧道建設，2011（S1）：170-175.

[5]韋秉旭，唐輝湘，陳尤.CRD法與上下臺階法在隧道開挖中的效果對比及數值分析[J].中外公路，2011（04）：192-196.