基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析

基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析

王春雨

哈尔滨地铁集团有限公司，黑龙江省哈尔滨市150000

摘要：在地铁隧道实际施工过程中，围岩处于加、卸载的复杂变化过程中。隧道的开挖与支护过程是一个多步骤的、且上一步开挖都会对随后的各次开挖产生影响的复杂过程。依据地下工程问题的特点，即“先受力，后开挖，再支护”，描述并模拟地铁隧道开挖卸荷效应下的真实施工过程。对地铁隧道施工中开挖卸荷效应进行详细分析，提出模拟地铁隧道开挖卸荷效应的四阶段模拟方法。以北京地铁8号线二期01标段西清区间隧道为工程背景，对地铁隧道盾构施工真实过程和开挖卸荷效应进行数值模拟与计算。分析开挖面支护力、支护时机、填充注浆以及考虑与不考虑开挖卸荷效应等因素对地铁隧道开挖与支护的影响，获得基于开挖卸荷效应的地铁隧道盾构施工的围岩–支护作用机制。

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伯模拟方法的发展，该方法可以模拟隧逍施工中的开挖面空间效应，与实陈工程较为符合，被认为是现阶段解决隧逍工程中各种问题的最有效的方法之一。

地铁隧道施工中的开挖卸荷效应

地铁隧逍施工处于地下，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。综合考虑地铁隧道施工现场的条件以及各种参数，促使十体形成产生最原始的应力场，然后在」一体处于原始应力的情况下，实施隧逍的分步骤开挖施工。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，前面还没有开挖的士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，并且陈着虾离开挖面的不同，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

(I)开挖环节。

在盾构月盘推进的过程中，开挖层面上的土休逐渐被清除，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月盘直径的，再加上土休开挖时超挖等问题的影响，土休、盾壳两者之间会产生各种各样的空隙，该空隙通常是坏形的，并且呈现出上大下小的规律。这时的士休是处于临空状态的，会马上产生弹塑性变形，一直到空隙被填满，也就是土休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休、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。

在土休、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，一直到土休、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笱的影响．进而导致临空面的产生。为了在最大和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111。

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追施工过程数值分析。山F于LAC30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追施工进行模拟，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。

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利地表的沉降。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13mm,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剕地表的沉降。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15mm,与总的沉降屉相比，其增加的程度比较大，这一现象说明支护的时间会明显影利地表的沉降。

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她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主

1.1模型边界条件及计算工况说明

根据该地铁隧道设计总说明计算荷载中可变荷载的规定，地面超载一般按20kPa取值，均匀施加在模型上表面。模型上表面自由，其余5个面上施加法向约束。隧道开挖过程中，当上一步土体被开挖后，在下一步土体开挖面上施加均布支护力，以维护开挖面的稳定。

大多数数值模拟中，隧道支护体系在建立模型时就已经施加上，只是改变支护单元属性来实现隧道开挖过程，与工程实际不符，不具有工程实践意义。在本文数值模拟中，物理模型中的开挖卸荷过程是在相应的时刻被施加或删除的，从而避免了上述缺陷。

本文先建立计算模型，进行开挖前平衡运算，形成开挖前土体初始应力场，将形成开挖前的初始应力场产生的位移归零，只保留初始应力。通过modelnull命令实现土体开挖，形成开挖荷载，进行平衡计算。通过selliner命令实现施加临时或永久支护，实现土体与支护平衡计算。通过seldeleteliner命令实现临时支护的移除，实现土体由于空隙产生后的继续变形。通过重复土体四阶段变形的循环过程完成地铁隧道施工的开挖卸荷过程模拟。

3.4盾构推进过程模拟

于土体开挖而产生的竖向位移，当围岩的变形达到由于刀盘外径大于盾壳外径和超挖等因素而产生的土体与盾壳之间的空隙大小时，此时开挖面推进的步数即为本过程包含的步数。目前，FLAC3D还没有直接动态模拟盾构机推进过程的功能，所以必须进行一定的简化。通常将盾构机的推进作为一个非连续的过程来研究。假设盾构机是逐步向前推进，每次向前推进的步距为一个衬砌管片单元的宽度。根据节2.2中隧道施工4个阶段的划分，在初始地应力状态下进行隧道施工过程的模拟，隧道每一段都在不同时段经历开挖卸荷的4个阶段，经过4个阶段的不断循环，盾构机不断向前推进，最终完成整条隧道的施工(整条隧道分60步开挖)。具体分析如下：

过程1：开挖土体。在此过程中，在模型开挖起始隧道顶点设置竖向位移监测点，监测围岩由

4结语

通过将地铁隧追开挖卸荷还分成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乳所以，在地铁隧追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，为地铁隧追的开挖施工提供一定的理论依据。

参考文献：

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