淺埋暗挖隧道施工過(guò)程數(shù)值模擬探索

摘要：隧道工程在施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)地表沉降的現(xiàn)象，會(huì)給施工的安全性和有序性帶來(lái)嚴(yán)重的影響，需要對(duì)引發(fā)該問(wèn)題的原因進(jìn)行分析和有效干預(yù)。地表沉降會(huì)給周?chē)h(huán)境帶來(lái)影響，現(xiàn)代社會(huì)中人們環(huán)保意識(shí)不斷提高，因此更加有必要對(duì)地表變形的情況進(jìn)行預(yù)估。本文利用數(shù)值模擬對(duì)CD工法的應(yīng)用過(guò)程展開(kāi)動(dòng)態(tài)化的分析和模擬，以期可以達(dá)到控制地層變化的影響。

Abstract： During the construction of tunnel engineering， surface settlement will occur， which will have a serious impact on the safety and order of construction， so it is necessary to analyze and effectively intervene the causes of this problem. Surface subsidence will affect the surrounding environment. In modern society， people's awareness of environmental protection continues to increase. Therefore， it is even more necessary to estimate the deformation of the surface. In this paper， numerical simulation is used to carry out dynamic analysis and simulation of the application process of CD construction method， in order to control the influence of formation changes.

關(guān)鍵詞：淺埋暗挖;隧道施工;數(shù)值模擬;探索

Key words： shallow-buried excavation;tunnel construction;numerical simulation;exploration

中圖分類(lèi)號(hào)：U455??????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）28-0136-02

0? 引言

在經(jīng)濟(jì)的帶動(dòng)下城市交通體系日趨完善，城市軌道建設(shè)步入了新的發(fā)展階段，地鐵成為了人們的主要出行方式。各個(gè)城市都開(kāi)始積極建設(shè)地鐵線(xiàn)路，為了保證地鐵的穩(wěn)定運(yùn)行需要修建淺埋隧道，城區(qū)修建隧道時(shí)會(huì)受到多種類(lèi)型建筑物的影響，為了保證隧道施工的效果，需要選擇暗挖的方式開(kāi)挖隧道。根據(jù)隧道施工的地點(diǎn)以及施工效果進(jìn)行分析，必須要在施工之前了解地質(zhì)條件，最終明確科學(xué)的施工計(jì)劃。在大部分地鐵隧道施工過(guò)程中都會(huì)遇到軟弱性質(zhì)的巖土層，在隧道開(kāi)挖時(shí)容易出現(xiàn)變形和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此需要利用數(shù)值法對(duì)CD工法進(jìn)行模擬，這樣才能夠更好的對(duì)施工過(guò)程會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)估，提升施工方案的科學(xué)性。

1? 數(shù)值模擬工法

在進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)經(jīng)常使用的是CD工法，也被稱(chēng)之為中隔墻法，對(duì)于部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為軟弱、不穩(wěn)定的巖體有著較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并且可以較好的對(duì)地面沉降的情況進(jìn)行控制。中隔墻法是1980年之后所開(kāi)始提出并應(yīng)用的，并且隨著我國(guó)城市地鐵隧道建設(shè)的工程數(shù)量不斷增加，中隔墻法的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。中隔墻法的發(fā)展基礎(chǔ)為正臺(tái)階法，不僅沿用了以往正臺(tái)階法的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還解決了在洞室開(kāi)挖過(guò)程中所體現(xiàn)的問(wèn)題[1]。中隔墻法是使用在德國(guó)慕尼黑地鐵工程的重要方法之一，并且經(jīng)過(guò)此次施工之后中隔墻法的性?xún)r(jià)比大幅度提升。

2? 數(shù)值模型

2.1 確定模型范圍以及邊界條件

通常來(lái)講當(dāng)完成洞室開(kāi)挖之后會(huì)給周?chē)膸r體造成一定的影響，具體范圍要大于橫截面最大尺寸，一般情況下會(huì)超出3倍到5倍左右。基于此種狀況將隧道建筑界限作為基礎(chǔ)準(zhǔn)則，左側(cè)圍巖在水平方向取60m，右側(cè)圍巖與左側(cè)選取數(shù)值相同，仰拱下方在垂直方向同樣選取60m，對(duì)到拱頂?shù)穆裆罹嚯x為7.5m。選擇Y-Z軸做空間平面，具體邊界條件為左、右均對(duì)Y方向的位移情況進(jìn)行限制，下便捷則對(duì)Z方向的位移情況進(jìn)行限制，上方便捷屬于自由狀態(tài)。

2.2 材料本構(gòu)以及材料參數(shù)

利用強(qiáng)度理論對(duì)巖土體進(jìn)行分析，評(píng)估圍巖對(duì)屈服性以及剪脹性，在初期使用厚度為28cm的混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等材料對(duì)圍巖實(shí)施第一次支護(hù)，在第二次襯砌的過(guò)程中選擇厚度為50cm的混凝土作為支護(hù)材料。第一次和第二次支護(hù)工程過(guò)程中分別使用C25早強(qiáng)混凝土以及C30鋼筋混凝土，合適的混凝土材料可以起到有效支護(hù)的效果。在數(shù)值模型中按照表1中的具體參數(shù)進(jìn)行有限元計(jì)算。

2.3 對(duì)施工方法實(shí)施模擬

在隧道施工過(guò)程中使用CD施工方法的具體流程如圖1所示。每開(kāi)挖一部分之后都需要增加相應(yīng)的支護(hù)，在第一次完成支護(hù)工作后增加二次襯砌，在二襯結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程中需要按照先仰拱、后墻體加仰拱的順序進(jìn)行澆筑。當(dāng)實(shí)施開(kāi)挖工程和支護(hù)工程時(shí)將ADIAN中的Active對(duì)襯砌支護(hù)過(guò)程實(shí)施模擬，利用Inactive對(duì)隧道對(duì)開(kāi)挖過(guò)程實(shí)施模擬。在數(shù)值模型中對(duì)工序?qū)Τ掷m(xù)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，每個(gè)工序的設(shè)定數(shù)值均為10。第一個(gè)時(shí)間步可以控制因重力而造成的變形情況，并沒(méi)有涉及到實(shí)際的隧道施工過(guò)程，從第二時(shí)間步開(kāi)始對(duì)施工的具體工序進(jìn)行模擬。

3? 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 對(duì)應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析

在進(jìn)行隧道開(kāi)挖之前對(duì)豎直方向進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)應(yīng)力以層狀、受壓的狀態(tài)分布在山體內(nèi)，從上到下應(yīng)力會(huì)持續(xù)增加，由此可以確定模型符合實(shí)際的受力情況。由于一邊開(kāi)挖、一邊支護(hù)的施工形式，襯砌會(huì)承擔(dān)卸荷力，因此當(dāng)完成二次襯砌之后襯砌上方比周邊圍巖所受到的最大級(jí)別主應(yīng)力要大。左右所承受的主壓應(yīng)力的最大值會(huì)受到隧道開(kāi)挖位置的影響，如果隧道位置靠近道路的右側(cè)，則右側(cè)的主壓應(yīng)力較大，如果靠近左側(cè)則左側(cè)主壓應(yīng)力較大。當(dāng)開(kāi)挖工程不斷深入，則臨空面以及四周的圍巖所受到的剪應(yīng)力也會(huì)隨之增大。在實(shí)際的施工過(guò)程中如果一側(cè)山體出現(xiàn)偏壓的現(xiàn)象，則這一側(cè)剪應(yīng)力的大小情況和集中范圍和另一側(cè)相比都較大[2]。

3.2 位移場(chǎng)分析

當(dāng)控制住重力所導(dǎo)致的變形情況之后，對(duì)空間平面情況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)方向的位移云圖之中都沒(méi)有發(fā)生色彩分塊的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就代表在隧道開(kāi)挖之前施工環(huán)境在垂直以及水平兩個(gè)方向均不存在位移情況，代表模型分析和施工情況有著較高的吻合度，再一次印證了模型建立的正確性。

從垂直方向的位移云圖進(jìn)行分析，Z方向應(yīng)當(dāng)在不斷深入開(kāi)挖的過(guò)程中逐漸增大，這是由于隧道開(kāi)挖的逐漸深入臨空面的增大情況會(huì)與其成正比關(guān)系。在支護(hù)工程中所形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要大于圍巖，并且在應(yīng)用支護(hù)結(jié)構(gòu)之后，隧道會(huì)形成封閉的狀態(tài)，最終產(chǎn)生拱效應(yīng)，因此當(dāng)增加了支護(hù)結(jié)構(gòu)之后圍巖發(fā)生變形的速度也會(huì)有所減小。隧道施工結(jié)束之后在拱頂?shù)奈恢脮?huì)出現(xiàn)垂直狀態(tài)下最大的變形情況和沉降情況，位于拱頂位置的支護(hù)結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生一定的位移，這種位移情況代表支護(hù)工程在使用之后發(fā)揮了相應(yīng)的效果。處于仰拱位置的圍巖也會(huì)出現(xiàn)向上方隆起的現(xiàn)象，這是由于卸荷力以及偏壓作用所導(dǎo)致的。當(dāng)偏壓作用增大之后則會(huì)給隧道附近的軟弱土層造成擠壓作用，當(dāng)軟弱土層上方巖體被挖除之后，則擠壓作用也會(huì)隨之增大，造成拱起量提升的效果。

從水平方向的位移云圖進(jìn)行分析，水平方向與垂直方向的位移情況所較為相似的，也是隧道開(kāi)挖逐漸深入而位移量增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)形成環(huán)狀則位移量減小。當(dāng)隧道完成二次襯砌之后，圍巖在水平方向的位移量并沒(méi)有出現(xiàn)較為明顯的變化，但是襯砌結(jié)構(gòu)在該方向上的位移情況會(huì)出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，因此位移的極大值也會(huì)受到影響，分布范圍較之前有了改變。但是水平和垂直方向位移量變化的趨勢(shì)確實(shí)有較大差異的，在隧道施工的完整過(guò)程中，水平方向的位移改變情況處于較為均勻的狀態(tài)，不同于垂直方向突然增加位移量的狀態(tài)。而造成這種差異的主要原因是在垂直方向不僅要承受卸荷力重力的作用，同時(shí)也需要承受?chē)鷰r自身重力的作用和影響。

3.3 對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

在進(jìn)行淺埋暗挖隧道的施工過(guò)程中，對(duì)于地層的實(shí)際變形情況有著較為嚴(yán)格的控制，必須要落實(shí)嚴(yán)格的管理制度以及注漿要求，縮短開(kāi)挖的時(shí)間，增加支護(hù)的強(qiáng)度，快速完成封閉，并對(duì)施工過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量。在測(cè)量參數(shù)的過(guò)程中主要監(jiān)測(cè)地表的下沉情況以及圍巖的變形情況，其中圍巖變形又包括拱頂向下方沉降以及向水平方向收斂?jī)煞N情況。利用數(shù)值模擬后所得出的沉降數(shù)值和監(jiān)測(cè)所得到的數(shù)據(jù)所相同的，數(shù)值模擬可以明確沉降情況和沉降的變化趨勢(shì)。但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中也會(huì)有個(gè)別點(diǎn)位因特殊原因出現(xiàn)離散較大的現(xiàn)象。例如在進(jìn)行圍巖開(kāi)挖的過(guò)程中，會(huì)在之前幾個(gè)步驟的基礎(chǔ)上增加拱頂位置的跨度值，進(jìn)而使臨空面也有所增加，導(dǎo)致拱頂?shù)膿隙扔兴陆怠?/p>

在進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)需要注意埋深的深淺度，在淺埋深隧道開(kāi)挖時(shí)會(huì)因開(kāi)挖工程而是拱頂位置的沉降情況影響到地表的情況，并且這種影響會(huì)在兩者之間位置不斷增大的情況下而減小。由此可以發(fā)現(xiàn)，地表和拱頂在沉降變化的具體趨勢(shì)方面是相同的，但是地表的沉降量卻明顯較小。

數(shù)值模擬所得出的結(jié)果要稍小于施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)所得到的數(shù)值，則是因各種元素所導(dǎo)致的，主要包括三點(diǎn)原因。第一，數(shù)值模擬本質(zhì)上是屬于對(duì)工程的施工情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此各個(gè)方面在計(jì)算的過(guò)程中都有可能因簡(jiǎn)化會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的誤差現(xiàn)象，因此在部分時(shí)候會(huì)出現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果較小的現(xiàn)象。第二，在本次的數(shù)據(jù)模擬的過(guò)程中使用兩個(gè)參數(shù)對(duì)巖體的破碎程度進(jìn)行表示，分別為以本構(gòu)關(guān)系以及材料物理參數(shù)的變化。其實(shí)在實(shí)際施工時(shí)巖體會(huì)因多種因素而呈現(xiàn)出不規(guī)則的切割狀態(tài)。第三，圍巖變形的情況不可控，例如施工造成的影響、施工現(xiàn)場(chǎng)周?chē)笮涂ㄜ?chē)干擾、隧道工程中爆破環(huán)節(jié)的影響，甚至在降雨時(shí)雨水的滲透都會(huì)影響到圍巖的變形情況。這些因素均無(wú)法利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行表現(xiàn)，或者無(wú)法和實(shí)際的施工環(huán)節(jié)進(jìn)行同步的模擬[3]。

4? 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)數(shù)值模擬之后能夠分析不同方位山體的所受壓力以及水平位移較大的圍巖區(qū)域，對(duì)于后續(xù)施工方案的制定有著重要的作用，提供了數(shù)據(jù)支持，可以對(duì)施工工藝流程進(jìn)行完善和調(diào)整，保證了隧道施工安全性。數(shù)值模擬能夠?qū)D工法的應(yīng)用效果進(jìn)行仔細(xì)分析，模擬出CD工法使用后地層的變形情況，確保施工過(guò)程中使用的支護(hù)結(jié)構(gòu)符合施工需求。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有著較好的匹配性，但是優(yōu)勢(shì)僅存在于定性分析方面，在定量分析的過(guò)程中并不能彰顯較大的優(yōu)勢(shì)。因此在今后的隧道施工過(guò)程中不僅需要確保數(shù)值模擬模型構(gòu)建的正確性，同時(shí)也需要確保其具有一定的準(zhǔn)確性，這樣才能夠?yàn)樗淼朗┕ぬ峁┲匾陌踩Ｕ稀５罔F是人們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫闹匾煌üぞ撸谶M(jìn)行隧道施工過(guò)程中必須要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行施工，做好數(shù)值模擬，提升施工過(guò)程的合理性。

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作者簡(jiǎn)介：谷宗寶（1983-），男，黑龍江明水人，畢業(yè)于石家莊鐵道大學(xué)。