沈阳地铁隧道开挖过程稳定性分析

郝 哲，陈殿强，侯永莉

（1.沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳 110044；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁沈阳 110013）

沈阳地铁隧道开挖过程稳定性分析

郝 哲1，2，陈殿强2，侯永莉2

（1.沈阳大学建筑工程学院，辽宁沈阳 110044；2.辽宁有色勘察研究院，辽宁沈阳 110013）

采用GeoFBA软件，对沈阳地铁隧道开挖全过程进行数值模拟研究，对围岩、喷射混凝土、模筑混凝土、锚杆的应力和变形特征进行分析.结果表明，沈阳地铁隧道设计当中初拟的结构尺寸（包括初期支护、二次支护）、超前小导管支护、锚杆支护是可以适应围岩状况的，经支护后的沈阳地铁隧道是稳定的.台阶法开挖对于沈阳地铁隧道开挖是适用的.

沈阳地铁；GeoFBA；开挖过程；数值模拟

沈阳地铁是沈阳城建史上投资最多、规模最大的重点工程.沈阳地铁一号线也是东北地区的第一条地铁线，其建设及运营成功与否直接关系到东北地区地铁的后续建设.一号线位于沈阳地铁线路网规划的中段，东西走向，正线长22.05 km，全部为地下线路，总投资94.8亿元.沈阳地铁一号线开挖方法包括明挖法、新奥法和盾构法等.

对于复杂条件下的隧道和地下工程进行开挖和支护的施工，是一个随空间和时间不断变化的动态过程［1］.于学馥认为地下开挖是一个多步骤的、每次开挖均对以后各次产生影响的复杂过程，围岩的稳定性不仅与最终状态相关，还与过程相关，改变工程工艺和施工顺序可以使不稳定的岩土工程变为稳定［2］.朱维申等还提出了“岩体动态施工过程力学”的概念［3］.

沈阳地铁隧道开挖过程的稳定性如何，是建设中的地铁工程必须要考虑的首要课题.选取有代表性的地铁隧道，开展相应开挖过程稳定性研究，具有重要的理论意义和实用价值.

1 模型建立

1.1 现场开挖方法

现场隧道开挖过程如图1所示.

1.2 模拟开挖过程与模拟区域设定

针对现场实际台阶法开挖过程，所模拟的开挖过程定为6个开挖步：①开挖前小导管预注浆；②上分层开挖并保留核心土；③上分层开挖的隧道周边锚喷支护；④核心土、下分层和仰拱开挖；⑤新开挖断面锚喷支护，整个断面初期支护完成；⑥全断面模筑混凝土二次支护.

图1 现场地铁隧道台阶法开挖过程Fig.1 In-situ metro tunnel excavation process by benching tunneling method

根据弹塑性理论［4］，模拟计算区域取为：左、右边界距左、右隧洞20m，双洞中心线间距14m，则左右模拟区域长54m；下边界距中心点17m，上边界取为地表平均标高，距中心点13m，则上下模拟区域长30m.边界条件设定为：左、右边界x方向固定；底边界y方向固定；顶边界为位移

自由边界，但考虑地表载荷：大西路宽度范围内为

27kN／m，路两侧区域为210kN／m.

1.3 计算模型及参数选取

采用Mohr-Coulomb准则.岩土体采用各向同性弹塑性材料，四边形单元；小导管注浆的扩散区域根据扩散半径（0.65m）划定，也采用弹塑性材料；锚杆采用cable结构单元；喷混凝土采用Liner单元；二次衬砌采用Beam单元；喷层与二衬接触面采用无厚度的Goodman单元；回填土采用弹塑性材料［5］.围岩、锚杆、喷层（含钢拱架）和二衬等材料的计算参数依据实验室试验和地质报告提供的数据取值［6］，见表1～表3.

表2 支护参数表Table 2 Supporting parameters

表3 喷层与二衬间接触面参数表Table 3 Interface parameters between spray layer and second lining

2 隧道开挖过程之有限元分析

计算分析采用GeoFBA2D4.0有限元软件.

2.1 应力

（1）σ1（最大主应力）等值线图.图2为主应力σ1等值线图.

图2 开挖步Fig.2 Excavation steps

（2）σ2（最小主应力）等值线图.图3为主应力σ2等值线图.

图3 开挖步Fig.3 Excavation steps

2.2 位移

图4为位移矢量图.

2.3 塑性区分布

图5为塑性区分布图.

图4 开挖步Fig.4 Excavation steps

图5 开挖步Fig.5 Excavation steps

2.4 支护结构内力

2.4.1 锚杆和喷层单元轴力

图6为锚杆和喷层轴力图.

2.4.2 二次衬砌单元弯矩、剪力、轴力分布

图7～图9为开挖完毕后的二衬弯矩、剪力和轴力图.

图6 开挖步Fig.6 Excavation steps

3 计算结果分析

通过数值模拟结果可见：

（1）二维非线性弹塑性专用有限元程序GeoFBA-2D，能够满足模拟现场隧道、开挖过程并分析隧道工程稳定性的需要.

（2）初始地应力状态的模拟结果表明：由于未进行开挖，土层只受到地面载荷的作用，从初始主应力矢量图可以看出这种状态下的应力较均匀分布，随着深度的增加，主应力逐渐增加.

图7 弯矩Fig.7 Bending moment

图8 剪力Fig.8 Shear force

图9 轴力Fig.9 Axial force

（3）上台阶开挖后，在开挖边界产生了应力集中，并有大量塑性区和受拉区出现，从主应力等值线图分析可见：塑性区主要分布在隧道的拱脚和墙腰，隧道顶板受拉力作用.

（4）进行上台阶锚喷支护后，塑性区和受拉区有所减少，设计锚杆长度为3.5m时围岩是处于稳定状态的.可见初期支护是能够保持隧道上台阶开挖稳定性的.但是开挖后不及时进行支护，冒顶、片帮在所难免，不可能安全地进行下台阶步的开挖.

（5）全断面开挖后，可见下半台阶的开挖对隧道上半部围岩的应力分布产生了显著影响.就隧道周边而言，拱顶影响不是很明显，而对墙腰影响较大，支护结构能够维持顶板的稳定.此时，隧道塑性区进一步扩大，塑性区主要分布在隧道的拱脚和墙腰，拉裂区主要分布在拱顶.

（6）全断面完成初期支护后，隧道塑性区和受拉区比上一步减小了，塑性区主要集中在围岩周边，由于锚杆和喷射混凝土的存在，使之拉裂区向深部转移，在分布上出现了不连续现象.产生这种现象的原因是锚杆端头应力集中，锚杆中部单元形成了挤压带，这种现象是符合锚杆作用机理的.最小主应力值的最大值发生在顶板，从破坏系数来看，稳定点在拱顶两侧小导管注浆区域以外.

（7）整个区域二次衬砌完毕后，在拱脚处仍有部分喷层单元屈服，但在模筑混凝土内无塑性区存在.从围岩主应力等值线来看，拱脚位置仍是一个应力集中区，主应力最大值为71.9MPa，其他部位应力集中程度有了一些缓和，主应力沿隧道边趋向均匀分布.需要说明的是，程序中对喷层按照只承受轴力的杆单元考虑，忽略了弯矩影响.但是喷层和锚杆内产生的轴力进一步增大，喷层内最大轴力达到14.3MPa，少部分喷层发生了塑性屈服（C20混凝土强度9.6MPa）；喷层最大拉应力达1.26MPa，但是未达到喷层抗拉强度；锚杆最大轴力为202MPa.全断面二次支护完成后，二衬梁单元的弯矩最大值是183MPa，剪力是33.7MPa，最大拉应力是42.9MPa.

从模拟结果可以看出，按设计步骤进行开挖时，在进行及时支护的情况下，隧道的开挖过程稳定性是可以保证的，也满足要求.

4 结 语

为指导沈阳地铁隧道的设计与施工，对其进行数值模拟是十分必要的，也是很经济的.本文以现场测量和实验数据为依据，对沈阳地铁隧道的施工开挖过程、支护过程、衬砌过程中围岩与支护结构的稳定性进行了模拟分析，直观而真实地表现了隧道开挖各个过程的位移、应力分布情况.模拟分析结果表明，沈阳地铁隧道设计当中初拟的结构尺寸（包括初期支护、二次支护）、超前小导管支护、锚杆支护是可以适应围岩状况的，经支护后的沈阳地铁隧道是稳定的，台阶法开挖对于沈阳地铁隧道开挖是适用的.其计算结果和有关结论对沈阳地铁工程有较大指导意义.

［1］郝哲，刘向峰，王来贵.大跨度公路隧道开挖过程力学特性研究［M］.北京：地质出版社，2010：32-33.

［2］于学馥，郑颖人，刘怀恒，等.地下工程围岩稳定分析［M］.北京：煤炭工业出版社，1983：15-16.

［3］朱维申，王可钧.地下工程的监测与数值计算［J］.岩石力学与工程学报，1999，18（S）：1248-1255.

［4］蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002：186-188.

［5］中华人民共和国国家标准.GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003：98-99.

［6］王铁男，郝哲.FLAC在地铁隧道数值模拟中的应用［J］.沈阳大学学报，2010，22（1）：11-14.

Stability Analysis on Excavation Process of Shenyang Metro Tunnel

HAOZhe1，2，CHEN Dianqiang2，HOU Yongli2

（1.School of Architectural and Civil Engineering，Shenyang University，Shenyang 110044，China；2.Liaoning Nonferrous Geological Exploration and Research Institute，Shenyang 110013，China）

By the GeoFBA，numerical simulation study on excavation process of Shenyang metro tunnel was conducted.The stress and deformation of surrounding rock，spray concrete，site-casting concrete，and stress and deformation characteristics of the anchor were analyzed.The results show that the structure size prepared by the design of the Shenyang metro tunnel（including the initial support and secondary support），advance timbering，and bolting can be adapted to the situation of the surrounding rock.Shenyang metro tunnel is stable after the support.Benching tunnelling method is applicable to Shenyang metro tunnel excavation.

Shenyang metro；GeoFBA；excavation process；numerical simulation

TU 74

A

1008-9225（2012）04-0078-05

2012-03-27

辽宁省教育厅高校科研项目（L2010377）；沈阳市科技局计划项目（1081271-9-00-3）.

郝 哲（1972-），男，辽宁沈阳人，沈阳大学教授，博士.

刘延文】