城市地鐵隧道開挖及變形控制的數值模擬研究

祖 華

(山西煤炭進出口集團河曲舊縣露天煤業有限公司，山西 忻州 036500)

隨著城市地鐵建設規模的不斷擴大，隧道的開挖過程中會遇到許多技術性問題。為了確保施工技術的高效安全，研究其開挖及變形控制就顯得十分重要了。劉波等[1]分析探討了開挖基坑后對已存在隧道的作用機理，劃定了可能形成的變形區及潛在變形區域，并給出了對隧道影響控制措施；魏新江等[2]從三個方面分別研究了地下穿越影響，在理論上創新了地基與隧道相互作用模型，并采用數值模擬和實驗研究直觀展現地下結構和已有隧道相互作用機制；范雪輝等[3]采用相關標準給出了不同控制條件下的作用區域,并確定為主要影響區、次要影響區、一般影響區以及微弱影響區四種；王國波等[4]通過數值模擬研究了相關區域的振動臺試驗，并分析了車站結構端部空間效應,同時研究了層數、地震波類型及幅值等因素的影響；蔡義等[5]通過模型和數值實驗研究了不同區域空洞條件下地表可能產生的沉降及其變形特征,并對理論參數進行了修正，與實驗結果吻合較好；雷華陽等[6]分析不同時速條件下列車荷載對土體沉降的作用特性并對理論公式進行修訂來預測之后可能沉降量；婁平等[7]研究隧道開挖過程中橫剖面上的地表變形特征,并分析可能對地面下沉的作用效果；岳建勇[8]主要考慮了交通對周圍建筑的振動響應,并分析振動作用對鄰近建筑物的影響規律。

本文基于城市地鐵建設的自然環境和地質情況，分析其開挖過程中的變形、應力等變化及控制，以期為施工提供依據[9]。

1 工程背景

以太原地鐵二號線一區間聯絡通道為研究對象。線路位于太原盆地內，地形條件較簡單，總體趨勢為東西兩端相對較高，中間部分相對較低，整體表現呈緩坡狀。工程地質條件主要涉及 45 m以淺的地層，主要包括的類型為粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土及以下的砂巖。關于地鐵建設工程，最為重要的就是施工期間對地面的穩定性保持，能夠保證地面以上區域不會受到不良影響。

2 數值分析

2.1 模型建立

計算模型當中選取沿隧道軸線方向當做Y軸，平面垂直隧道之間的軸線方向為X軸，豎直方向上為Z軸。通過Rhino3D軟件來建立相關的數值模型，并利用Griddle插件對模型網格進行分區劃分，實現網格的精細化，最后就能夠直接導入FLAC3D得到所見圖1。兩者均視為強彈塑性材料，以上運用到的設計數值均來自工程實際設計參數，用來保證數值模擬的結果和工程實際的對比更加的準確與真實。

計算機模型有六面體和四面體單元，使用Mohr-Coulomb模型去實現模擬全過程，模型表面為自由邊界，側面及底面進行位移固定。在數據模擬進行中，首先進行自重應力場平衡，會有管片及桿件這類結構，同時將位移場清零處理。這是依據其結構特性設計的，采用FLAC3D中的應力場進行數值模擬。模型基本力學參數見表1，材料基本力學參數見表2。

表1 模型基本力學參數

表2 材料基本力學參數

2.2 位移分析

隧道的整體位移隨開挖范圍的增加而增大。隧道在初始開挖時，初期形變量相對較小，當開挖達到15 m，隧道頂部變形范圍向上擴大，隧道下部地面出現較為明顯的地面鼓起；當開挖達到27 m和30 m時，卸載范圍的增加使得圍巖約束作用變弱，其對隧道的影響逐漸變得明顯，頂部變形范圍影響到地表，隧道底部也出現了更大范圍的形變區(見圖2)。

如圖3所示，隨著整個開挖的進行，在隧道地面中心處的位移出現近似線性的沉降，最終沉降量達到0.003 m。而對于隧道內部，開挖的前15 m范圍內，隧道兩側、隧道頂端的變形相對平緩，隨著繼續開挖，隧道在頂端開始出現明顯的變形增加，隧道兩側在開挖到27 m處出現一個明顯的陡增，這可能是圍巖在卸荷作用下，上覆巖層直接作用在頂端不斷累積變形，而對隧道兩側的變形量影響相對較小。

2.3 應力分析

如圖4所示，隨著隧道的開挖到15 m，在隧道頂部臨空面開始出現明顯的拉應力集中，其值為0.1 MPa，隨著開挖達到27 m和30 m，拉應力集中范圍由臨空面向內延伸，并且其最大拉應力值達到0.9 MPa，此時頂部有可能出現一定的變形從而影響隧道的穩定性。如圖5所示，隨著隧道的開挖到15 m，在隧道兩幫卸荷區開始出現明顯的壓應力集中，其值為1 MPa，隨著開挖達到27 m和30 m，壓應力集中范圍主要集中在兩側，并且其最大壓應力值達到2.9 MPa，所以在隧道工程中頂部以及兩幫一直都是我們關注的重點區域。

2.4 破壞范圍分析

如圖6所示，隨著整個開挖的進行，在開挖的前15 m范圍內，隧道兩側、隧道頂端出現明顯的塑性變形，隨著繼續開挖，隧道在頂部的塑性區增加不明顯基本保持在3 m，而在隧道底部出現不斷延伸的塑性區，最終底部最大影響范圍達到10 m。這可能是圍巖在卸荷作用下，局部的應力集中導致底部出現明顯的變形，隨著變形的不斷增大，整體破壞區域也開始不斷發展，在底部淺部以剪切應力和拉應力為主，在較深的位置則主要在剪切應力作用變形迅速增加，從而達到最終破壞。

2.5 支護分析

為了分析最有可能發生破壞的范圍，利用fish語言進行二次開發得到主應力差，如圖7所示，可以看到主應力差集中出現在頂部以及側面范圍，其值約為0.5 MPa，而在剛開挖的臨空面出現最大值約為4 MPa，說明頂部以及側面范圍是重點支護區域。

如圖8所示，隨著整個開挖的進行，在開挖的前15 m范圍內，隧道前端錨桿應力較小，隨著繼續開挖，隧道錨桿應力開始明顯增加，前端應力為0.007 MPa，根部應力為0.017 4 MPa，說明隧道卸荷區域在錨桿作用下，得到了明顯的控制，可以保證正常工作的順利進行。

如圖9所示，隨著整個開挖的進行，在開挖的前15 m范圍內，隧道管片應力較小，隨著繼續開挖，在隧道不斷向前開挖到27 m和30 m時，管片影響范圍達到最大，其最大值為0.04 MPa，說明隧道在卸荷區域內在管片支持作用下，變形得到有效控制，未出現明顯的變形破壞。在之后的施工過程中，我們同樣需要采取相關的控制措施。

3 結論

1)針對地鐵隧道地質條件和開挖特點，分析了隧道開挖過程中最大位移出現在隧道頂部為0.009 m，隧道兩側為0.002 m，隧道對應的地面中心位移為0.003 m。

2)開挖過程中，隧道頂端出現拉應力其最大拉應力值達到0.9 MPa，隧道兩側壓應力最大，其壓應力值達到2.9 MPa，塑性區范圍也隨著開挖不斷增大，隧道頂部為3 m，隧道底部達到10 m。

3)利用fish二次開發得到主應力差值，隧道周圍主應力差為4 MPa，并得到桿件和管片的應力分布情況，可為保證工程安全順利進行提供一定指導，其可為類似的工程提供相關的技術支持。