浅埋暗挖隧道施工过程数值模拟探索

摘要：隧道工程在施工过程中会出现地表沉降的现象，会给施工的安全性和有序性带来严重的影响，需要对引发该问题的原因进行分析和有效干预。地表沉降会给周围环境带来影响，现代社会中人们环保意识不断提高，因此更加有必要对地表变形的情况进行预估。本文利用数值模拟对CD工法的应用过程展开动态化的分析和模拟，以期可以达到控制地层变化的影响。

Abstract： During the construction of tunnel engineering， surface settlement will occur， which will have a serious impact on the safety and order of construction， so it is necessary to analyze and effectively intervene the causes of this problem. Surface subsidence will affect the surrounding environment. In modern society， people's awareness of environmental protection continues to increase. Therefore， it is even more necessary to estimate the deformation of the surface. In this paper， numerical simulation is used to carry out dynamic analysis and simulation of the application process of CD construction method， in order to control the influence of formation changes.

关键词：浅埋暗挖;隧道施工;数值模拟;探索

Key words： shallow-buried excavation;tunnel construction;numerical simulation;exploration

中图分类号：U455                                        文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）28-0136-02

0  引言

在经济的带动下城市交通体系日趋完善，城市轨道建设步入了新的发展阶段，地铁成为了人们的主要出行方式。各个城市都开始积极建设地铁线路，为了保证地铁的稳定运行需要修建浅埋隧道，城区修建隧道时会受到多种类型建筑物的影响，为了保证隧道施工的效果，需要选择暗挖的方式开挖隧道。根据隧道施工的地点以及施工效果进行分析，必须要在施工之前了解地质条件，最终明确科学的施工计划。在大部分地铁隧道施工过程中都会遇到软弱性质的岩土层，在隧道开挖时容易出现变形和不稳定的现象，因此需要利用数值法对CD工法进行模拟，这样才能够更好的对施工过程会出现的问题进行预估，提升施工方案的科学性。

1  数值模拟工法

在进行隧道开挖时经常使用的是CD工法，也被称之为中隔墙法，对于部分地质结构较为软弱、不稳定的岩体有着较大的应用优势，并且可以较好的对地面沉降的情况进行控制。中隔墙法是1980年之后所开始提出并应用的，并且随着我国城市地铁隧道建设的工程数量不断增加，中隔墙法的应用范围也不断扩大。中隔墙法的发展基础为正台阶法，不仅沿用了以往正台阶法的优势，同时还解决了在洞室开挖过程中所体现的问题[1]。中隔墙法是使用在德国慕尼黑地铁工程的重要方法之一，并且经过此次施工之后中隔墙法的性价比大幅度提升。

2  数值模型

2.1 确定模型范围以及边界条件

通常来讲当完成洞室开挖之后会给周围的岩体造成一定的影响，具体范围要大于横截面最大尺寸，一般情况下会超出3倍到5倍左右。基于此种状况将隧道建筑界限作为基础准则，左侧围岩在水平方向取60m，右侧围岩与左侧选取数值相同，仰拱下方在垂直方向同样选取60m，对到拱顶的埋深距离为7.5m。选择Y-Z轴做空间平面，具体边界条件为左、右均对Y方向的位移情况进行限制，下便捷则对Z方向的位移情况进行限制，上方便捷属于自由状态。

2.2 材料本构以及材料参数

利用强度理论对岩土体进行分析，评估围岩对屈服性以及剪胀性，在初期使用厚度为28cm的混凝土、钢筋网、钢拱架等材料对围岩实施第一次支护，在第二次衬砌的过程中选择厚度为50cm的混凝土作为支护材料。第一次和第二次支护工程过程中分别使用C25早强混凝土以及C30钢筋混凝土，合适的混凝土材料可以起到有效支护的效果。在数值模型中按照表1中的具体参数进行有限元计算。

2.3 对施工方法实施模拟

在隧道施工过程中使用CD施工方法的具体流程如图1所示。每开挖一部分之后都需要增加相应的支护，在第一次完成支护工作后增加二次衬砌，在二衬结构的施工过程中需要按照先仰拱、后墙体加仰拱的顺序进行浇筑。当实施开挖工程和支护工程时将ADIAN中的Active对衬砌支护过程实施模拟，利用Inactive对隧道对开挖过程实施模拟。在数值模型中对工序对持续时间进行设定，每个工序的设定数值均为10。第一个时间步可以控制因重力而造成的变形情况，并没有涉及到实际的隧道施工过程，从第二时间步开始对施工的具体工序进行模拟。

3  数值模拟结果分析

3.1 对应力场进行分析

在进行隧道开挖之前对竖直方向进行分析，可发现应力以层状、受压的状态分布在山体内，从上到下应力会持续增加，由此可以确定模型符合实际的受力情况。由于一边开挖、一边支护的施工形式，衬砌会承担卸荷力，因此当完成二次衬砌之后衬砌上方比周边围岩所受到的最大级别主应力要大。左右所承受的主压应力的最大值会受到隧道开挖位置的影响，如果隧道位置靠近道路的右侧，则右侧的主压应力较大，如果靠近左侧则左侧主压应力较大。当开挖工程不断深入，则临空面以及四周的围岩所受到的剪应力也会随之增大。在实际的施工过程中如果一侧山体出现偏压的现象，则这一侧剪应力的大小情况和集中范围和另一侧相比都较大[2]。

3.2 位移场分析

当控制住重力所导致的变形情况之后，对空间平面情况进行分析，可以发现在两个方向的位移云图之中都没有发生色彩分块的现象。这种现象就代表在隧道开挖之前施工环境在垂直以及水平两个方向均不存在位移情况，代表模型分析和施工情况有着较高的吻合度，再一次印证了模型建立的正确性。

从垂直方向的位移云图进行分析，Z方向应当在不断深入开挖的过程中逐渐增大，这是由于隧道开挖的逐渐深入临空面的增大情况会与其成正比关系。在支护工程中所形成的支护结构强度要大于围岩，并且在应用支护结构之后，隧道会形成封闭的状态，最终产生拱效应，因此当增加了支护结构之后围岩发生变形的速度也会有所减小。隧道施工结束之后在拱顶的位置会出现垂直状态下最大的变形情况和沉降情况，位于拱顶位置的支护结构也会产生一定的位移，这种位移情况代表支护工程在使用之后发挥了相应的效果。处于仰拱位置的围岩也会出现向上方隆起的现象，这是由于卸荷力以及偏压作用所导致的。当偏压作用增大之后则会给隧道附近的软弱土层造成挤压作用，当软弱土层上方岩体被挖除之后，则挤压作用也会随之增大，造成拱起量提升的效果。

从水平方向的位移云图进行分析，水平方向与垂直方向的位移情况所较为相似的，也是隧道开挖逐渐深入而位移量增加，支护结构形成环状则位移量减小。当隧道完成二次衬砌之后，围岩在水平方向的位移量并没有出现较为明显的变化，但是衬砌结构在该方向上的位移情况会出现减小的现象，因此位移的极大值也会受到影响，分布范围较之前有了改变。但是水平和垂直方向位移量变化的趋势确实有较大差异的，在隧道施工的完整过程中，水平方向的位移改变情况处于较为均匀的状态，不同于垂直方向突然增加位移量的状态。而造成这种差异的主要原因是在垂直方向不仅要承受卸荷力重力的作用，同时也需要承受围岩自身重力的作用和影响。

3.3 对比数值模拟结果以及监测数据

在进行浅埋暗挖隧道的施工过程中，对于地层的实际变形情况有着较为严格的控制，必须要落实严格的管理制度以及注浆要求，缩短开挖的时间，增加支护的强度，快速完成封闭，并对施工过程中的参数进行多次测量。在测量参数的过程中主要监测地表的下沉情况以及围岩的变形情况，其中围岩变形又包括拱顶向下方沉降以及向水平方向收敛两种情况。利用数值模拟后所得出的沉降数值和监测所得到的数据所相同的，数值模拟可以明确沉降情况和沉降的变化趋势。但是在实际的应用过程中也会有个别点位因特殊原因出现离散较大的现象。例如在进行围岩开挖的过程中，会在之前几个步骤的基础上增加拱顶位置的跨度值，进而使临空面也有所增加，导致拱顶的挠度有所下降。

在进行隧道开挖时需要注意埋深的深浅度，在浅埋深隧道开挖时会因开挖工程而是拱顶位置的沉降情况影响到地表的情况，并且这种影响会在两者之间位置不断增大的情况下而减小。由此可以发现，地表和拱顶在沉降变化的具体趋势方面是相同的，但是地表的沉降量却明显较小。

数值模拟所得出的结果要稍小于施工过程中监测所得到的数值，则是因各种元素所导致的，主要包括三点原因。第一，数值模拟本质上是属于对工程的施工情况进行简化，因此各个方面在计算的过程中都有可能因简化会出现相应的误差现象，因此在部分时候会出现数值模拟结果较小的现象。第二，在本次的数据模拟的过程中使用两个参数对岩体的破碎程度进行表示，分别为以本构关系以及材料物理参数的变化。其实在实际施工时岩体会因多种因素而呈現出不规则的切割状态。第三，围岩变形的情况不可控，例如施工造成的影响、施工现场周围大型卡车干扰、隧道工程中爆破环节的影响，甚至在降雨时雨水的渗透都会影响到围岩的变形情况。这些因素均无法利用数值模拟的方法进行表现，或者无法和实际的施工环节进行同步的模拟[3]。

4  结束语

通过数值模拟之后能够分析不同方位山体的所受压力以及水平位移较大的围岩区域，对于后续施工方案的制定有着重要的作用，提供了数据支持，可以对施工工艺流程进行完善和调整，保证了隧道施工安全性。数值模拟能够将CD工法的应用效果进行仔细分析，模拟出CD工法使用后地层的变形情况，确保施工过程中使用的支护结构符合施工需求。数值模拟结果与实际的监测数据有着较好的匹配性，但是优势仅存在于定性分析方面，在定量分析的过程中并不能彰显较大的优势。因此在今后的隧道施工过程中不仅需要确保数值模拟模型构建的正确性，同时也需要确保其具有一定的准确性，这样才能够为隧道施工提供重要的安全保障。地铁是人们日常生活中所使用的重要交通工具，在进行隧道施工过程中必须要严格按照要求进行施工，做好数值模拟，提升施工过程的合理性。

参考文献：

[1]周智，衡朝阳，张剑涛，孙曦源.某超浅埋暗挖大断面矩形地下通道地表沉降特性[J].应用基础与工程科学学报，2020，28（04）：900-912.

[2]徐明祥，黄强兵，王庆兵，李明锷，雷建.西安地裂缝地段浅埋暗挖地铁隧道施工沉降规律[J].水文地质工程地质，2020，47（01）：161-170.

[3]段军朝，吴贤国，李博文，王彦玉.某暗挖小净距隧道施工方案优化及爆破施工安全研究[J].城市道桥与防洪，2019（10）：135-141，18-19.

作者简介：谷宗宝（1983-），男，黑龙江明水人，毕业于石家庄铁道大学。