地下隧道施工中支护结构的弹塑性分析研究进展

摘要：本文通过总结国内外隧道施工的研究现状，阐述支护结构的弹塑性分析，着重讨论了隧道施工中基于有限元理论分析支护结构稳定性的研究。在利用有限元软件模拟隧道施工，监测土体及支护结构的位移变化，并结合施工监测结果，为隧道施工提供借鉴，从而提高施工的效率与安全性的这一方面，今后还有许多值得研究的方向。

关键词： 隧道开挖；支护结构；有限元分析；

中图分类号：U455文献标识码： A

Abstract:Through summarizing the research status of the tunnel construction at home and abroad, this paper expounds the elastoplasticity analysis of the supporting structure, emphatically discusses the stability analysis of the supporting structure research based on the theory of finite element in the tunnel construction.By the use of finite element software to simulate the tunnel construction, monitor the displacement of soil and supporting structure, combine with the monitoring results of the construction, to provide a reference for tunnel construction, so as to improve the efficiency and safety of the construction, in this respect, there are many worthy research directions in the future.

Key words: tunnel excavation; Supporting structure; The finite element analysis;

一、 引言

近年来越来越多的大城市通过建造地下隧道来缓解地面上的交通压力，特别是在以软土地基为主的上海。上海人口密集度高，为了缓解交通压力，方便出行，上海的地铁建设速度非常快，此外黄浦江将上海划分为浦东和浦西两块，为了方便两片地区的交通运输，江底隧道也逐渐增多，隧道施工的要求与复杂性也在不断提升。

城市地下隧道施工，和一系列城市中的建筑工程一样，大部分会出现一些施工问题。例如噪声，环境污染，由于降水而出现地下水位下降和地表下沉，隧道冒顶等等一系列问题。而隧道施工最常发生的事故是塌方，每次塌方，轻则造成财产缺失，重则导致数人甚至数十人死亡，并伴随巨大财产损失，尤其是复杂地质条件下的隧道施工，是隧道施工的重大危险源。例如2010年08月02日，深圳地铁宝安中心站，工地风井基坑土方开挖至12米深时，支撑脱落，维护结构发生变形，导致坑外土体涌入基坑，发生塌方事故。所幸塌方在夜间，所以并没有造成人员伤亡，但是造成了巨大的经济损失，延长了工期也为周围的居民带来了不便。这些问题全部是关系到城市人群居住的环境以及安全问题。

在城市建设中如果想要避免这些问题可能带来的灾害，可以结合其它相关案例的报告，通过施工前模拟，分析施工方案中的应力，应变，用所得到模拟数据，来指导施工方案的设计与进行，从而避免在施工过程中可能遇到的问题。

隧道施工中的问题已受到了许多人的关注，随着中国交通建设不断加强，在不同的地质条件中开挖隧道也积累了一定的经验与成果，本文将总结一些国内外基于不同方法对隧道施工所进行的研究，特别是在隧道施工中利用弹塑性原理所进行的相关研究，在此基础上着重探讨了分布施工，及基于有限元理论分析支护结构的研究现状，展望未来隧道施工中支护结构的弹塑性分析所值得研究的方向。

二、 国内外研究现状

2.1 隧道施工研究现状

世界上最早的人工交通隧道一直存有争议，不过大多数都偏向于是中国的汉中石门[1]，由此可见，中国的隧道建设起源已久。我国对于隧道的研究从未停止过，在过去的20多年中更是突飞猛进，在2002年的国际隧道研讨会暨公路建设技术交流大会上，中国工程院院士王梦恕认为中国是世界上隧道和地下工程最多、最复杂、今后发展最快的国家[2]。近十年的发展与研究证明了这一观点，随着中国的城市化建设不断深入，隧道的发展越来越快，与其相关的研究也在不断的扩大和深入，研究方法也在不断的更新与提高，例如王红峡等人[3]研究了不良地质条件下隧洞施工技术。申玉生等人对大跨度铁路隧道(洞口段跨度20m左右)施工过程的塑性区发展规律进行了深入的有限元数值分析。分析在隧道不同施工工序中塑性区的分布形态，通过大跨度隧道塑性区的分析，指出在施工过程中的围岩应力危险区域，指明围岩支护及监控量测的重点和难点，为大跨度隧道的施工提出警示信息[4]。

国外的隧道研究更多的是比较偏向于工程管理，当然由于许多发达国家的城市化水平非常的高，作为城市建设中交通建设的重要一环，其在隧道施工方面的研究也处于很高的水平。Molinero[5]等人利用数值模拟，研究了隧道施工中水文地质条件对隧道推进的影响，类似的Meschke, G[6]等人基于有限元方法来仿真隧道开挖过程中的相关因素，研究了在饱和软土中隧道的推进问题。而Wu, Jian-Hong[7]等人实验所得的不对称垂直压力和地表沉陷，表明不连续变形分析方法可以应用于模拟复杂的不连续岩体隧道应力和地表沉陷。

此外，一些学者对隧道稳定性问题[8]，隧道衬砌结构[9-10]，隧道支护体[11]，隧道开挖的地质灾害[12]，隧道开挖时损失土体产生负载对沉降，土体应力分布的影响[13]等与隧道安全性紧密相连的问题都做了一定的探索。根据大量工程实践和工程试验，发生在支护完成前的隧道工程破坏约占总破坏事件的80 %；而衬砌完成后的隧道工程破坏事件则极少。因而，隧道工程施工过程中寻求防止支护过程中完成前的破坏防治措施是首要任务,而对已完成了支护施作的隧道工程破坏，采取诊断、加固、防止也尤为重要[14]。

2.2 分布施工的研究现状

隧道工程的施工环境是在岩土体内部，所以施工过程中不可避免地会对周围的岩土体产生一定扰动，引起隧道周边岩土体发生移动和变形。国内外很多研究表明，在隧道施工中，如果注意开挖方式的选择，都会一定程度上降低成本，加快施工进度，随着我国隧道建设的不断开展，分步施工的研究也在不断深入[15-20]，而在软土地基的隧道开挖过程中这一方法也是得到了利用，例如针对某工程典型的软土地基深基坑土方开挖的施工难点,提出了解决该问题的“分步、分区、分层”措施方法[21]，同时也对施工技术进行了一些探讨[22]，而李玉岐等人研究了基坑分步开挖诱发的渗流对作用在地下墙上的水压力、土压力及侧压力的影响.研究表明,随着基坑每步开挖后坑内外水头的减小，使得主动区作用在地下墙上的侧压力越来越大，而被动区作用在地下墙上的侧压力越来越小，因而对地下墙的稳定是不利的；快速施工则可以提高基坑工程的安全性[23]。因此，在基坑开挖过程中，实行“分层、分块、平衡、对称、限时”的土方开挖方法，严禁超挖，充分利用基坑开挖具有时空效应的规律，严格控制基坑变形，确保基坑工程的安全[24]。

2.3 基于有限元理论分析支护结构的研究现状

有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，将函数定义在简单几何形状的单元域上，将复杂边界条件分割成单边界，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一[25]，Shahin, H.M等人利用有限元分析方法，在一个新开发的圆形隧道设备中用有限元分析弹塑性的本构模型，得出在相同体积的情况下，由于隧道开挖，表面土体的沉降和隧道周围土压力明显影响隧道中的下部土体各点相对于表土的位移[26]。随着计算机技术的发展，有限元方法渐渐越来越多的被用于各种结构，工程施工的实验模拟，例如韦立德[27-29]等人利用有限元方法对三维锚杆进行了一定的研究，得出了较为精确的锚杆变形应力规律。

与此同时支护结构的基坑监测监控技术在许多工程得到了应用[30-35]，通过有限元模拟的方法，对要进行开挖的隧道基坑进行模拟[36-41]，预测土体的变形，预报出危险点，以便在施工过程中采取相应的措施，Nagel, Felix 等人基于有限元方法用数值模拟模型，分析盾构开挖隧道过程，实验证明，由不同隧道推进过程中的参数可以预测隧道的地面变形和应力，地下水条件等[42]。在复杂地质条件中开挖隧道，即使是有良好的地质调查，但因为当地的岩体结构，其不确定性还是存在的，对于这样的工程，一个可靠的预测，对选择适当的开挖方式和支护方法显得非常重要[43]。用有限元的方法，模拟施工，其优点是在施工前就可以模拟各种开挖、支护方式的可行性及其优劣，因而可以节省大量的成本。但是在实际应用中，一定要建立合适的模型，划分适当的网格，输入正确的参数。只有这样，计算模拟得出的结果才具有可靠性[44-46]。

近年来，Mohr-Coulomb模型不断被完善改进[47]，大量的试验和工程实践已证实，Mohr-Coulomb 强度理论能较好地描述岩土材料的强度特性和破坏行为，在岩土工程领域得到了广泛的应用[48]。在众多利用Mohr-Coulomb模型的软件中，ABAQUS最有代表性，利用非线性有限元软件ABAQUS提供的二次开发功能，可以实现统一强度理论本构模型的嵌入，以及采用该模型进行隧道开挖三维数值分析。结果表明:在ABAQUS中增加统一强度理论本构模型[49-51]，丰富了材料单元库，提高了计算精度和效率，而且，通过算例验证和隧道开挖模拟，说明在岩土工程中，考虑材料的主应力效应，可以充分利用材料强度，指导工程实践，节省造价[52]。

Pedro Alves Costa等人还利用p-q-θ临界状态模型用有限元法对软土地基开挖过程中，对支撑前后的应力进行了分析，对比模拟结果与实验结果一致[53]。而利用有限元软件ABAQUS建立模型，结合Mohr-Coulomb强度理论模拟在软土地基的隧道施工中，基坑的分步开挖，监测所布置支撑的应力，位移变化，为施工提供理论依据，为类似的工程提供参考，在现阶段这一方法有待进一步的探讨与研究。

三、 总结

基于上述研究现状，可以发现隧道开挖的研究一直是围绕着施工方法，岩土与结构的相互作用展开的，根据施工场地的水文地质条件确定施工方法，然后由施工过程中土体与结构的相互影响关系来确定所要采取的支护结构。众多的研究表明，选取合理的施工方法，通过对施工过程的模拟，监测施工过程中土体应力的变化，监测支护结构的位移应力，进行有效的支护结构布置，不仅可以保证安全性，而且可以大大的提高施工速度，节省成本，提高经济效应。

施工方法的选取，与隧道开挖所处的场地的地质条件密不可分，可以说，什么样的场地都有其最适合的施工方法。软土地基是上海特殊的地质条件，它是由天然含水量大、压缩性高、承载能力低的淤泥沉积物及少量腐殖质所组成的土，指的是滨海、湖沼、谷地、河滩沉积的天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的细粒土。它具有天然含水量高、天 然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、 灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大等特点。因此在软土地基中开挖隧道相比较其他一般性的地质条件来讲，增加了不小的难度。

随着有限元方法的不断推广，人们将这种方法应用到隧道施工的模拟中，结合不同的强度理论，可以近似的得到一些相关的参数，为隧道施工提供了参考依据，而随着计算机的发展，有限元模拟软件的开发，强度理论的进一步完善，使得这一方法应用起来更加的方便，如今有限元分析方法已经成为了隧道工程模拟的利器。

四、 展望

虽然国内外在对于软土地基中的隧道施工进行了一些研究，但是隧道基坑分步开挖过程中支护结构由于施工阶段土体应力变化而产生的位移应力的问题，目前只有很少的一些案例可供参考，而具体到软土地基中基坑开挖工程中，开挖新的基坑对已经开挖结束支撑结构布置完成的基坑支护结构的影响还没有相关的研究成果。

综上所诉，不良地质条件下隧道工程的建设还有进一步提高的空间。利用有限元软件，模拟隧道施工，监测土体、支护结构的位移变化，研究新开挖基坑对于临近开挖完毕基坑的影响，用得到的相关数据和参数与实际结果进行比较，可以为支护结构的布置提出依据，使支护结构的布置更加安全，更加合理经济。

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