基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析

摘 要：在地铁隧道开挖施工中，围岩受力情况非常复杂，一直处于加、卸的反复变化中，并且上一步的开挖会直接影响着后续所有的开挖步骤。该文简单介绍了地铁隧道施工中的开挖卸荷效应，并将其划分成了4个环节来进行数值模拟，最后分析了开挖面支护力以及支护、注浆时机对模拟结果的影响，以期为地铁隧道的开挖施工提供一定的参考资料。

关键词：开挖卸荷效应 地铁隧道 数值分析

中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（b）-0048-02

随着经济的快速发展，我国的地铁建设越来越多，施工安全问题受到越来越广泛的关注。而计算机技术应用推进了数值模拟方法的发展，该方法可以模拟隧道施工中的开挖面空间效应，与实际工程较为符合，被认为是现阶段解决隧道工程中各种问题的最有效的方法之一。

1 地铁隧道施工中的开挖卸荷效应

地铁隧道施工处于地下，原来岩石的应力和施工中的支护力在加载上是不具同步性的，通常是“先受力、再开挖、最后支护”，开挖施工中首先加载的是原岩应力，在该力加载上一定的时间后，支护力才能加载上去。C合考虑地铁隧道施工现场的条件以及各种参数，促使土体形成产生最原始的应力场，然后在土体处于原始应力的情况下，实施隧道的分步骤开挖施工。值得注意的是，在开挖施工的过程中，由于开挖层面上受到一定的推力，前面还没有开挖的土体会产生一定的支撑力，所以，开挖施工后周围岩石的弹塑性会发生变形，并且随着距离开挖面的不同，变形程度会发生不同的变化。

2 开挖卸荷效应的作用过程及数值模拟案例

2.1 开挖卸荷效应的作用过程

（1）开挖环节。

在盾构刀盘推进的过程中，开挖层面上的土体逐渐被清除，这就产生了临空面。但是，盾构机产生的推力会在一定程度上起到支撑开挖面的作用，促进开挖面保持一定的稳定。通常情况下，盾壳的直径是小于盾构刀盘直径的，再加上土体开挖时超挖等问题的影响，土体、盾壳两者之间会产生各种各样的空隙，该空隙通常是环形的，并且呈现出上大下小的规律。这时的土体是处于临空状态的，会马上产生弹塑性变形，一直到空隙被填满，也就是土体接触到盾壳甚至压实为止。在该环节中，开挖步数的确定是根据围岩弹塑性变形的程度来确定的。在开挖施工之后，当围岩产生的变形充满了土体、盾壳之间的空隙时，这是划分该环节的标准。

（2）临时支护环节――增设盾壳。

在土体、盾壳之间的空隙被填满使得两者相互接触时，盾壳就会具备暂时的支护功能，起到一定的支护作用，并形成相应的支护反作用力，来防止土体弹塑性变形的持续发生，一直到土体、盾壳处于平衡的状态。在该环节中，通常按照盾壳长度来确定增设盾壳的步数。

（3）临时支护环节――移除盾壳。

在盾构机不断推进的过程中，衬砌管片在离开盾尾的时候，可能会因为盾壳厚度、管片和盾壳间空隙等的影响，进而导致临空面的产生。为了在最大程度上避免地层的变形，通常会采取盾尾注浆的措施。

（4）永久支护环节――增设衬砌管。

在管片、土体之间的空隙被浆液填满使得两者接触时，管片就会具备永久支护的功能，并起到一定的支护作用，同时产生相应的支护反作用力，防止土体进一步发生弹塑性变形，一直到土体、管片处于平衡的状态，变形不再继续。在该环节中，通常情况下按照开挖的长度来确定管片支护步数[1]，如图1所示。

2.2 开挖卸荷效应的数值模型的建立

经过以上4个环节的区分、实施，可以实现基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析。由于FLAC3D现在还不能对盾构机推进过程进行直接的动态模拟，因此要对其进行一定的简单化处理。一般情况下是将推进过程视为非连续的，是一个逐步推进的过程，并将每次向前推进的距离视为1个衬砌管片的宽度。根据上述4个阶段，在初始地应力条件下对整个隧道施工进行模拟，在每一段过程中的不同时间点均会产生开挖卸荷效应，对上述4个阶段进行不断循环，也就是盾构机不停地向前推进的过程。图2是以某地铁隧道为案例的开挖卸荷效应的FLAC计算中的应力和位移图片。

3 影响开挖卸荷的主要因素

3.1 注浆对地表沉降的影响

增设管片衬砌的时间会明显影响地表的沉降。据相关研究表明，当增设管片衬砌的时间比较晚时，最大沉降值会大约提高13 mm，与总的沉降值相比，其增加的程度比较大，而增设管片衬砌时间的早晚主要表现在填充浆液后孔隙没有被充满的大小。增设管片的时间越晚，表明没有被浆液填充的孔隙越大。

3.2 支护时机对地表沉降的影响

在开挖卸荷数值模拟的过程中，增设盾壳的时间会明显影响地表的沉降。据相关研究表明，当增设盾壳的时间比较晚时，最大沉降值会大约提高15 mm，与总的沉降量相比，其增加的程度比较大，这一现象说明支护的时间会明显影响地表的沉降。

3.3 开挖工作面对开挖卸荷数值模拟的影响

据相关研究表明，与保持开挖面稳定时需要的最小支护力相比，如果开挖工作面上的支护力偏大，那么随着开挖面逐渐向前移动，在开挖面前面的地表会产生隆起的现象，在开挖面经过此处时，地表会产生下沉的现象，而开挖面后方逐渐稳定。但是，当开挖工作面上的支护力偏小时，那么随着开挖面逐渐向前移动，在开挖面前面的地表不会产生隆起的现象，会产生持续沉降的现象，一直到开挖面后方逐渐稳定[2]。

4 结语

通过将地铁隧道开挖卸荷还分成4个环节，对开挖卸荷效应进行了数值模拟，而且相关研究表明其模拟结果会受到多种因素的影响。所以，在地铁隧道施工中应当选择合适的平衡力、把握好注浆与支护的时机、减少超挖现象等等，为地铁隧道的开挖施工提供一定的理论依据。

参考文献

[1] 侯公羽，刘宏伟，李晶晶，等.基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析[J].岩石力学与工程学报，2013（S1）：2915-2924.

[2] 侯公羽.关于围岩-支护相互作用机制的讨论与新认识[J].煤矿支护，2008（1）：2-7.