祖 華

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)河曲舊縣露天煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036500)

隨著城市地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道的開挖過程中會(huì)遇到許多技術(shù)性問題。為了確保施工技術(shù)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(duì)已存在隧道的作用機(jī)理，劃定了可能形成的變形區(qū)及潛在變形區(qū)域，并給出了對(duì)隧道影響控制措施；魏新江等[2]從三個(gè)方面分別研究了地下穿越影響，在理論上創(chuàng)新了地基與隧道相互作用模型，并采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究直觀展現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)和已有隧道相互作用機(jī)制；范雪輝等[3]采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了不同控制條件下的作用區(qū)域,并確定為主要影響區(qū)、次要影響區(qū)、一般影響區(qū)以及微弱影響區(qū)四種；王國波等[4]通過數(shù)值模擬研究了相關(guān)區(qū)域的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，并分析了車站結(jié)構(gòu)端部空間效應(yīng),同時(shí)研究了層數(shù)、地震波類型及幅值等因素的影響；蔡義等[5]通過模型和數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究了不同區(qū)域空洞條件下地表可能產(chǎn)生的沉降及其變形特征,并對(duì)理論參數(shù)進(jìn)行了修正，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好；雷華陽等[6]分析不同時(shí)速條件下列車荷載對(duì)土體沉降的作用特性并對(duì)理論公式進(jìn)行修訂來預(yù)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(duì)地面下沉的作用效果；岳建勇[8]主要考慮了交通對(duì)周圍建筑的振動(dòng)響應(yīng),并分析振動(dòng)作用對(duì)鄰近建筑物的影響規(guī)律。

本文基于城市地鐵建設(shè)的自然環(huán)境和地質(zhì)情況，分析其開挖過程中的變形、應(yīng)力等變化及控制，以期為施工提供依據(jù)[9]。

1 工程背景

以太原地鐵二號(hào)線一區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道為研究對(duì)象。線路位于太原盆地內(nèi)，地形條件較簡單，總體趨勢為東西兩端相對(duì)較高，中間部分相對(duì)較低，整體表現(xiàn)呈緩坡狀。工程地質(zhì)條件主要涉及 45 m以淺的地層，主要包括的類型為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土及以下的砂巖。關(guān)于地鐵建設(shè)工程，最為重要的就是施工期間對(duì)地面的穩(wěn)定性保持，能夠保證地面以上區(qū)域不會(huì)受到不良影響。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

計(jì)算模型當(dāng)中選取沿隧道軸線方向當(dāng)做Y軸，平面垂直隧道之間的軸線方向?yàn)閄軸，豎直方向上為Z軸。通過Rhino3D軟件來建立相關(guān)的數(shù)值模型，并利用Griddle插件對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行分區(qū)劃分，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的精細(xì)化，最后就能夠直接導(dǎo)入FLAC3D得到所見圖1。兩者均視為強(qiáng)彈塑性材料，以上運(yùn)用到的設(shè)計(jì)數(shù)值均來自工程實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，用來保證數(shù)值模擬的結(jié)果和工程實(shí)際的對(duì)比更加的準(zhǔn)確與真實(shí)。

計(jì)算機(jī)模型有六面體和四面體單元，使用Mohr-Coulomb模型去實(shí)現(xiàn)模擬全過程，模型表面為自由邊界，側(cè)面及底面進(jìn)行位移固定。在數(shù)據(jù)模擬進(jìn)行中，首先進(jìn)行自重應(yīng)力場平衡，會(huì)有管片及桿件這類結(jié)構(gòu)，同時(shí)將位移場清零處理。這是依據(jù)其結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)的，采用FLAC3D中的應(yīng)力場進(jìn)行數(shù)值模擬。模型基本力學(xué)參數(shù)見表1，材料基本力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 模型基本力學(xué)參數(shù)

表2 材料基本力學(xué)參數(shù)

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(shí)，初期形變量相對(duì)較小，當(dāng)開挖達(dá)到15 m，隧道頂部變形范圍向上擴(kuò)大，隧道下部地面出現(xiàn)較為明顯的地面鼓起；當(dāng)開挖達(dá)到27 m和30 m時(shí)，卸載范圍的增加使得圍巖約束作用變?nèi)?，其?duì)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(xiàn)了更大范圍的形變區(qū)(見圖2)。

如圖3所示，隨著整個(gè)開挖的進(jìn)行，在隧道地面中心處的位移出現(xiàn)近似線性的沉降，最終沉降量達(dá)到0.003 m。而對(duì)于隧道內(nèi)部，開挖的前15 m范圍內(nèi)，隧道兩側(cè)、隧道頂端的變形相對(duì)平緩，隨著繼續(xù)開挖，隧道在頂端開始出現(xiàn)明顯的變形增加，隧道兩側(cè)在開挖到27 m處出現(xiàn)一個(gè)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(duì)隧道兩側(cè)的變形量影響相對(duì)較小。

2.3 應(yīng)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(xiàn)明顯的拉應(yīng)力集中，其值為0.1 MPa，隨著開挖達(dá)到27 m和30 m，拉應(yīng)力集中范圍由臨空面向內(nèi)延伸，并且其最大拉應(yīng)力值達(dá)到0.9 MPa，此時(shí)頂部有可能出現(xiàn)一定的變形從而影響隧道的穩(wěn)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(qū)開始出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)力集中，其值為1 MPa，隨著開挖達(dá)到27 m和30 m，壓應(yīng)力集中范圍主要集中在兩側(cè)，并且其最大壓應(yīng)力值達(dá)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(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域。

2.4 破壞范圍分析

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

2.5 支護(hù)分析

為了分析最有可能發(fā)生破壞的范圍，利用fish語言進(jìn)行二次開發(fā)得到主應(yīng)力差，如圖7所示，可以看到主應(yīng)力差集中出現(xiàn)在頂部以及側(cè)面范圍，其值約為0.5 MPa，而在剛開挖的臨空面出現(xiàn)最大值約為4 MPa，說明頂部以及側(cè)面范圍是重點(diǎn)支護(hù)區(qū)域。

如圖8所示，隨著整個(gè)開挖的進(jìn)行，在開挖的前15 m范圍內(nèi)，隧道前端錨桿應(yīng)力較小，隨著繼續(xù)開挖，隧道錨桿應(yīng)力開始明顯增加，前端應(yīng)力為0.007 MPa，根部應(yīng)力為0.017 4 MPa，說明隧道卸荷區(qū)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(jìn)行。

如圖9所示，隨著整個(gè)開挖的進(jìn)行，在開挖的前15 m范圍內(nèi)，隧道管片應(yīng)力較小，隨著繼續(xù)開挖，在隧道不斷向前開挖到27 m和30 m時(shí)，管片影響范圍達(dá)到最大，其最大值為0.04 MPa，說明隧道在卸荷區(qū)域內(nèi)在管片支持作用下，變形得到有效控制，未出現(xiàn)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(guān)的控制措施。

3 結(jié)論

1)針對(duì)地鐵隧道地質(zhì)條件和開挖特點(diǎn)，分析了隧道開挖過程中最大位移出現(xiàn)在隧道頂部為0.009 m，隧道兩側(cè)為0.002 m，隧道對(duì)應(yīng)的地面中心位移為0.003 m。

2)開挖過程中，隧道頂端出現(xiàn)拉應(yīng)力其最大拉應(yīng)力值達(dá)到0.9 MPa，隧道兩側(cè)壓應(yīng)力最大，其壓應(yīng)力值達(dá)到2.9 MPa，塑性區(qū)范圍也隨著開挖不斷增大，隧道頂部為3 m，隧道底部達(dá)到10 m。

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