摘要：隧道工程在施工過程中會出現(xiàn)地表沉降的現(xiàn)象，會給施工的安全性和有序性帶來嚴(yán)重的影響，需要對引發(fā)該問題的原因進(jìn)行分析和有效干預(yù)。地表沉降會給周圍環(huán)境帶來影響，現(xiàn)代社會中人們環(huán)保意識不斷提高，因此更加有必要對地表變形的情況進(jìn)行預(yù)估。本文利用數(shù)值模擬對CD工法的應(yīng)用過程展開動態(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

中圖分類號：U455??????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0136-02

0? 引言

在經(jīng)濟(jì)的帶動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。各個城市都開始積極建設(shè)地鐵線路，為了保證地鐵的穩(wěn)定運行需要修建淺埋隧道，城區(qū)修建隧道時會受到多種類型建筑物的影響，為了保證隧道施工的效果，需要選擇暗挖的方式開挖隧道。根據(jù)隧道施工的地點以及施工效果進(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)的施工計劃。在大部分地鐵隧道施工過程中都會遇到軟弱性質(zhì)的巖土層，在隧道開挖時容易出現(xiàn)變形和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此需要利用數(shù)值法對CD工法進(jìn)行模擬，這樣才能夠更好的對施工過程會出現(xiàn)的問題進(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)行隧道開挖時經(jīng)常使用的是CD工法，也被稱之為中隔墻法，對于部分地質(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，并且可以較好的對地面沉降的情況進(jìn)行控制。中隔墻法是1980年之后所開始提出并應(yīng)用的，并且隨著我國城市地鐵隧道建設(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)為正臺階法，不僅沿用了以往正臺階法的優(yōu)勢，同時還解決了在洞室開挖過程中所體現(xiàn)的問題[1]。中隔墻法是使用在德國慕尼黑地鐵工程的重要方法之一，并且經(jīng)過此次施工之后中隔墻法的性價比大幅度提升。

2? 數(shù)值模型

2.1 確定模型范圍以及邊界條件

通常來講當(dāng)完成洞室開挖之后會給周圍的巖體造成一定的影響，具體范圍要大于橫截面最大尺寸，一般情況下會超出3倍到5倍左右?；诖朔N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Y方向的位移情況進(jìn)行限制，下便捷則對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)

利用強度理論對巖土體進(jìn)行分析，評估圍巖對屈服性以及剪脹性，在初期使用厚度為28cm的混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架等材料對圍巖實施第一次支護(hù)，在第二次襯砌的過程中選擇厚度為50cm的混凝土作為支護(hù)材料。第一次和第二次支護(hù)工程過程中分別使用C25早強混凝土以及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)行有限元計算。

2.3 對施工方法實施模擬

在隧道施工過程中使用CD施工方法的具體流程如圖1所示。每開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)實施開挖工程和支護(hù)工程時將ADIAN中的Active對襯砌支護(hù)過程實施模擬，利用Inactive對隧道對開挖過程實施模擬。在數(shù)值模型中對工序?qū)Τ掷m(xù)時間進(jìn)行設(shè)定，每個工序的設(shè)定數(shù)值均為10。第一個時間步可以控制因重力而造成的變形情況，并沒有涉及到實際的隧道施工過程，從第二時間步開始對施工的具體工序進(jìn)行模擬。

3? 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 對應(yīng)力場進(jìn)行分析

在進(jìn)行隧道開挖之前對豎直方向進(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)力會持續(xù)增加，由此可以確定模型符合實際的受力情況。由于一邊開挖、一邊支護(hù)的施工形式，襯砌會承擔(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別主應(yīng)力要大。左右所承受的主壓應(yīng)力的最大值會受到隧道開挖位置的影響，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)力也會隨之增大。在實際的施工過程中如果一側(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 位移場分析

當(dāng)控制住重力所導(dǎo)致的變形情況之后，對空間平面情況進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在兩個方向的位移云圖之中都沒有發(fā)生色彩分塊的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象就代表在隧道開挖之前施工環(huán)境在垂直以及水平兩個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)在不斷深入開挖的過程中逐漸增大，這是由于隧道開挖的逐漸深入臨空面的增大情況會與其成正比關(guān)系。在支護(hù)工程中所形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)強度要大于圍巖，并且在應(yīng)用支護(hù)結(jié)構(gòu)之后，隧道會形成封閉的狀態(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)生變形的速度也會有所減小。隧道施工結(jié)束之后在拱頂?shù)奈恢脮霈F(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出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，因此位移的極大值也會受到影響，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確實有較大差異的，在隧道施工的完整過程中，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，同時也需要承受圍巖自身重力的作用和影響。

3.3 對比數(shù)值模擬結(jié)果以及監(jiān)測數(shù)據(jù)

在進(jìn)行淺埋暗挖隧道的施工過程中，對于地層的實際變形情況有著較為嚴(yán)格的控制，必須要落實嚴(yán)格的管理制度以及注漿要求，縮短開挖的時間，增加支護(hù)的強度，快速完成封閉，并對施工過程中的參數(shù)進(jìn)行多次測量。在測量參數(shù)的過程中主要監(jiān)測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兩種情況。利用數(shù)值模擬后所得出的沉降數(shù)值和監(jiān)測所得到的數(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。但是在實際的應(yīng)用過程中也會有個別點位因特殊原因出現(xiàn)離散較大的現(xiàn)象。例如在進(jìn)行圍巖開挖的過程中，會在之前幾個步驟的基礎(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)行隧道開挖時需要注意埋深的深淺度，在淺埋深隧道開挖時會因開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)果要稍小于施工過程中監(jiān)測所得到的數(shù)值，則是因各種元素所導(dǎo)致的，主要包括三點原因。第一，數(shù)值模擬本質(zhì)上是屬于對工程的施工情況進(jìn)行簡化，因此各個方面在計算的過程中都有可能因簡化會出現(xiàn)相應(yīng)的誤差現(xiàn)象，因此在部分時候會出現(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)模擬的過程中使用兩個參數(shù)對巖體的破碎程度進(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。其實在實際施工時巖體會因多種因素而呈現(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)場周圍大型卡車干擾、隧道工程中爆破環(huán)節(jié)的影響，甚至在降雨時雨水的滲透都會影響到圍巖的變形情況。這些因素均無法利用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行表現(xiàn)，或者無法和實際的施工環(huán)節(jié)進(jìn)行同步的模擬[3]。

4? 結(jié)束語

通過數(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)果與實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)有著較好的匹配性，但是優(yōu)勢僅存在于定性分析方面，在定量分析的過程中并不能彰顯較大的優(yōu)勢。因此在今后的隧道施工過程中不僅需要確保數(shù)值模擬模型構(gòu)建的正確性，同時也需要確保其具有一定的準(zhǔn)確性，這樣才能夠為隧道施工提供重要的安全保障。地鐵是人們?nèi)粘Ｉ钪兴褂玫闹匾煌üぞ?，在進(jìn)行隧道施工過程中必須要嚴(yán)格按照要求進(jìn)行施工，做好數(shù)值模擬，提升施工過程的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]周智，衡朝陽，張劍濤，孫曦源.某超淺埋暗挖大斷面矩形地下通道地表沉降特性[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2020，28（04）：900-912.

[2]徐明祥，黃強兵，王慶兵，李明鍔，雷建.西安地裂縫地段淺埋暗挖地鐵隧道施工沉降規(guī)律[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2020，47（01）：161-170.

[3]段軍朝，吳賢國，李博文，王彥玉.某暗挖小凈距隧道施工方案優(yōu)化及爆破施工安全研究[J].城市道橋與防洪，2019（10）：135-141，18-19.

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