浅埋暗挖隧道施工过程数值模拟探索

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。

表1 支护材料具体参数材料类型 密度（kg·m-3）弹性模量/GPa 泊松比 内摩擦角/（°）黏聚力/MPa黏土层中厚层以及硅质灰岩泥岩初支二衬1700 2700 2620 2500 2600 25.000 30.000 0.4 0.3 0.35 0.2 0.2 8 38 25 0.036 0.555

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

图1 CD 施工方法具体开挖流程

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。

文章来源：《情报探索》 网址: http://www.qbtszz.cn/qikandaodu/2021/0401/971.html