輔助隧道連續開挖與主體隧道開挖相互影響的探討

陳德云　張奧宇

(1.溫州信達交通工程試驗檢測有限公司，浙江 溫州　325000；　2.長安大學公路學院，陜西 西安　710064)

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輔助隧道連續開挖與主體隧道開挖相互影響的探討

陳德云1張奧宇2

(1.溫州信達交通工程試驗檢測有限公司，浙江 溫州325000；2.長安大學公路學院，陜西 西安710064)

根據有限差分軟件的計算原理，采用巖土工程通用軟件FLAC3D，對隧道分步開挖時輔助隧道與主體隧道之間的相互影響問題進行了數值模擬，研究了隧道開挖兩端的位移及應力情況以及輔助隧道采用不同支護時整個模型的應力狀態，結果表明，輔助隧道采用管片環形支護可以大大減小對地層的擾動和對主體隧道的影響，支護效果好于鋼拱架支護。

FLAC3D，隧道，支護結構，位移

0　引言

隨著城市地下空間的持續開發和地鐵的大力修建，使得地下空間的利用越來越密集，經常會出現相鄰隧道的開挖，新建隧道必會對已建隧道產生影響，所以有必要分析新建隧道對已建隧道的影響，包括應力應變或位移。研究的方法有現場監控量測以及數值模擬，數值模擬方便簡單，FLAC3D軟件在巖土工程的應用廣泛，尤其擅長非線性問題和大變形的塑性流動，而且包含有巖土工程中常見的結構單元，非常適合模擬巖土工程中的力學問題。國內外這方面的研究也有很多，大多采用有限元分析，FDM法用的較少，但是大多沒有做支護的對比分析，本文建立模型，對支護結構進行了對比分析，對施工中可能出現的高應力區以及大變形區域進行了預測，以后對于此類工程的施工具有一定的參考價值。

隧道是圍巖與支護結構的綜合體[1]。隧道開挖后，產生的圍巖壓力是由周圍一定范圍內的巖體與人工支護結構共同承擔，圍巖與支護結構看作“支護系統”。為了能安全適用，快速施工，必須對上述支護系統“穩定性”做出評價，以便能及時或提前做出合理的設計施工措施。通過軟件對不同支護體系的支護效果進行評價，希望能對以后實際問題的解決提供一些參考。

1　相鄰隧道影響的FLAC模型

1.1FLAC算法流程

算法流程如圖1所示。

圖1　FLAC的計算流程

假定某一時刻各個節點的速度為已知，則根據高斯定律可求得單元的應變率，進而根據材料的本構定律可求得單元格新的應力。

1.2建模的依據

首先通過在外邊界施加荷載和邊界條件以獲得隧道開挖前的圍巖應力場，即初始應力場(達到初始平衡狀態)，并在開挖后，通過網格節點將荷載加于結構單元上，以達到加載的目的。圍巖、結構材料都選取實際的性能參數，以盡可能地模擬二者之間真實的工作狀態。采用Shell結構單元模擬開挖后輔助隧道的支護結構，為減小計算量，對稱問題采取半對稱結構進行模擬。

1.3劃域及處理方法

隧道理論上屬于無限域問題，實際在離隧道3倍～5倍斷面最大尺度處，應力、位移的變化已經很少。故FLAC計算時可取這一范圍作為劃分單元的區域。通常情況下，一般隧道長度遠大于其橫斷面尺寸，所以在進行圍巖穩定性分析時，可以把隧道簡化為平面應變問題來處理。

1.4網格的劃分

由于版本的不同，FLAC能夠劃分的網格也不同，例如FLAC 3.0版本，在摩爾—庫侖的本構模型下可建立漸變網格模型，即離隧道越近處網格越密，離隧道越遠處網格越疏，能夠在保證關注區域足夠精度的情況下盡量減小計算量。建立的網格如圖2所示。

1.5數據的輸入

數據的輸入主要包括初始邊界約束條件、荷載條件與材料參數(其中包括支護參數)。

1.6數值計算結果分析

通過應力、位移及位移隨時間的變化率來判斷隧道的穩定性。

2　模擬說明及計算結果

首先建立模型，設置邊界條件，進行求解，得到初始應力狀態。從圖3可以看到模型大約500時步已接近平衡，最終模型計算到了2 000步。然后進行第1步開挖25 m，未施作支護，查看模型的狀態；第2步，對已開挖25 m的輔助隧道進行支護，然后繼續開挖25 m，未施作支護，查看此時的模型狀態；第3步，主體隧道開挖25 m(未施作支護)，此時查看模型的狀態。模型中監測記錄了輔助隧道的起始和末尾端的X方向位移以及Z方向位移，共4個記錄點。輔助隧道始終先于主體隧道開挖一步。

圖2　模型示意圖　　　　　　圖3　模型的應力狀態

從圖4～圖8中可以得出輔助隧道開挖后及時施作支護，監測點的位移明顯減小。從Z方向以及X方向的位移云圖可以看到主體隧道開挖后，仰拱位置有可能產生底鼓現象，靠近輔助隧道側邊X方向位移明顯大于遠離輔助隧道一側，說明輔助隧道開挖對主體隧道造成了影響，施工中應加強對這些部位的監測，防止發生事故。

圖4　第1步開挖未施作支護時的位移曲線

圖5　第2步(第1步開挖施作支護時)的位移曲線

圖6　開挖50m后，主體隧道開挖25 m時的位移云圖

圖7　開挖對主體隧道　　　　　圖8　開挖對主體隧道影響的Z方向的位移云圖　　　　影響的X方向的位移云圖

3　支護措施分析

在FLAC3D中分別采用梁單元和殼單元進行開挖支護的模擬，有兩種方案進行對比，第一種采用殼單元進行模擬，第二種采用縱向梁單元近似模擬，結果分別如圖9～圖12所示。

圖9　Shell單元　　　　　　　　圖10　Beam單元進行支護的位移云圖　　　　　　進行支護的位移云圖

從圖11，圖12中可以看出Shell單元也就是管片可以有效地控制隧道開挖面和洞門處的位移，產生的位移量均小于簡單的梁支護。從整體的位移云圖上來看，采用管片支護對地面的影響小于采用梁支護，輔助隧道采用管片支護大大減小了對隧道初期開挖產生的大位移區域，使得開挖更加穩定，實際情況下，施工的情況也確實如此。

圖11　Shell單元支護時的節點位移監測圖

圖12　Beam單元支護時的節點位移監測圖

4　結語

本文探究了輔助隧道和主體隧道的相互開挖影響，得出的結果比較符合實際情況，對于設計和施工可以提供一定的參考。根據數值模擬結果，施工中需要加強監控量測，對危險點的位移要重視，支護結構方面，有條件的采用管片支護效果較好。但是，此模型還是有未完善的地方，如下：

1)未考慮施工中有可能遇到地下水的作用，可以采用流固耦合(修正劍橋模型)進行模擬更加貼近實際情況。

2)Beam單元可以用于開挖支護，但不太常見，Liner單元可以建立接觸面，考慮支護結構與土體的相互作用，更符合實際情況，但是結構單元參數不太好確定，最好是要做現場實驗確定參數，計算量也大大增加，計算時間相應也會增加。

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[3]梁璋彬，趙其華.基于FLAC的荷載結構法在襯砌驗算中的應用[J].山西建筑，2007，33(26):316-317.

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[6]Itasca Consulting Group，Inc..Fast language analysis of continua in 3 dimensions，version 3.0，user’s manual.Itasca consulting group，inc.，2005.

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Discussion on the interaction of auxiliary tunnel continuous excavation and main tunnel excavation

Chen Deyun1Zhang Aoyu2

(1.WenzhouXindaTrafficEngineeringTestingandDetectionLimitedCompany,Wenzhou325000,China;2.InstituteofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

According to the principles of the finite difference calculation software， using a common geotechnical engineering software FLAC3D, simulates the interaction between the service tunnel with the main tunnel during step excavation， studies tunnel excavation end of displacement and stress as well as the stress state of the entire secondary tunnel adopts different support model， results showed that the use of shell support can be greatly reduced and the formation of disturbances the impact of the main tunnel， supporting influence superior to steel arch support.

FLAC3D, tunnel, supporting structure, displacement

1009-6825(2016)21-0167-03

2016-05-17

陳德云(1974- )，男，碩士，工程師；張奧宇(1992- )，男，在讀碩士

U455

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