基于開挖卸荷效應的地鐵隧道施工過程數值分析

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雜，一直處于加、卸的反復變化中，并且上一步的開挖會直接影響著后續所有的開挖步驟。該文簡單介紹了地鐵隧道施工中的開挖卸荷效應，并將其劃分成了4個環節來進行數值模擬，最后分析了開挖面支護力以及支護、注漿時機對模擬結果的影響，以期為地鐵隧道的開挖施工提供一定的參考資料。

關鍵詞：開挖卸荷效應 地鐵隧道 數值分析

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

隨著經濟的快速發展，我國的地鐵建設越來越多，施工安全問題受到越來越廣泛的關注。而計算機技術應用推進了數值模擬方法的發展，該方法可以模擬隧道施工中的開挖面空間效應，與實際工程較為符合，被認為是現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

地鐵隧道施工處于地下，原來巖石的應力和施工中的支護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”，開挖施工中首先加載的是原巖應力，在該力加載上一定的時間后，支護力才能加載上去。綜合考慮地鐵隧道施工現場的條件以及各種參數，促使土體形成產生最原始的應力場，然后在土體處于原始應力的情況下，實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生一定的支撐力，所以，開挖施工后周圍巖石的彈塑性會發生變形，并且隨著距離開挖面的不同，變形程度會發生不同的變化。

2 開挖卸荷效應的作用過程及數值模擬案例

2.1 開挖卸荷效應的作用過程

（1）開挖環節。

在盾構刀盤推進的過程中，開挖層面上的土體逐漸被清除，這就產生了臨空面。但是，盾構機產生的推力會在一定程度上起到支撐開挖面的作用，促進開挖面保持一定的穩定。通常情況下，盾殼的直徑是小于盾構刀盤直徑的，再加上土體開挖時超挖等問題的影響，土體、盾殼兩者之間會產生各種各樣的空隙，該空隙通常是環形的，并且呈現出上大下小的規律。這時的土體是處于臨空狀態的，會馬上產生彈塑性變形，一直到空隙被填滿，也就是土體接觸到盾殼甚至壓實為止。在該環節中，開挖步數的確定是根據圍巖彈塑性變形的程度來確定的。在開挖施工之后，當圍巖產生的變形充滿了土體、盾殼之間的空隙時，這是劃分該環節的標準。

（2）臨時支護環節——增設盾殼。

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功能，起到一定的支護作用，并形成相應的支護反作用力，來防止土體彈塑性變形的持續發生，一直到土體、盾殼處于平衡的狀態。在該環節中，通常按照盾殼長度來確定增設盾殼的步數。

（3）臨時支護環節——移除盾殼。

在盾構機不斷推進的過程中，襯砌管片在離開盾尾的時候，可能會因為盾殼厚度、管片和盾殼間空隙等的影響，進而導致臨空面的產生。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）永久支護環節——增設襯砌管。

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的功能，并起到一定的支護作用，同時產生相應的支護反作用力，防止土體進一步發生彈塑性變形，一直到土體、管片處于平衡的狀態，變形不再繼續。在該環節中，通常情況下按照開挖的長度來確定管片支護步數[1]，如圖1所示。

2.2 開挖卸荷效應的數值模型的建立

經過以上4個環節的區分、實施，可以實現基于開挖卸荷效應的地鐵隧道施工過程數值分析。由于FLAC3D現在還不能對盾構機推進過程進行直接的動態模擬，因此要對其進行一定的簡單化處理。一般情況下是將推進過程視為非連續的，是一個逐步推進的過程，并將每次向前推進的距離視為1個襯砌管片的寬度。根據上述4個階段，在初始地應力條件下對整個隧道施工進行模擬，在每一段過程中的不同時間點均會產生開挖卸荷效應，對上述4個階段進行不斷循環，也就是盾構機不停地向前推進的過程。圖2是以某地鐵隧道為案例的開挖卸荷效應的FLAC計算中的應力和位移圖片。

3 影響開挖卸荷的主要因素

3.1 注漿對地表沉降的影響

增設管片襯砌的時間會明顯影響地表的沉降。據相關研究表明，當增設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，而增設管片襯砌時間的早晚主要表現在填充漿液后孔隙沒有被充滿的大小。增設管片的時間越晚，表明沒有被漿液填充的孔隙越大。

3.2 支護時機對地表沉降的影響

在開挖卸荷數值模擬的過程中，增設盾殼的時間會明顯影響地表的沉降。據相關研究表明，當增設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，這一現象說明支護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值模擬的影響

據相關研究表明，與保持開挖面穩定時需要的最小支護力相比，如果開挖工作面上的支護力偏大，那么隨著開挖面逐漸向前移動，在開挖面前面的地表會產生隆起的現象，在開挖面經過此處時，地表會產生下沉的現象，而開挖面后方逐漸穩定。但是，當開挖工作面上的支護力偏小時，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生隆起的現象，會產生持續沉降的現象，一直到開挖面后方逐漸穩定[2]。

4 結語

通過將地鐵隧道開挖卸荷還分成4個環節，對開挖卸荷效應進行了數值模擬，而且相關研究表明其模擬結果會受到多種因素的影響。所以，在地鐵隧道施工中應當選擇合適的平衡力、把握好注漿與支護的時機、減少超挖現象等等，為地鐵隧道的開挖施工提供一定的理論依據。

參考文獻

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

[2] 侯公羽.關于圍巖-支護相互作用機制的討論與新認識[J].煤礦支護，2008（1）：2-7.