軟巖隧道中環(huán)形開挖方法控制沉降的主要影響因素

（重慶市渝中區(qū)第九建筑工程公司，重慶 400015）

軟巖隧道中環(huán)形開挖方法控制沉降的主要影響因素

伍川生

（重慶市渝中區(qū)第九建筑工程公司，重慶 400015）

文章介紹了離心模型試驗和三維彈塑性有限元分析的結(jié)果對環(huán)形開挖法在約束前面隧道圍巖的地面沉降方面上的影響進行了澄清。在軟土地及附近，利用離心加載狀態(tài)下的機器人開挖一個模型隧道，用一個高精度的圖像分析系統(tǒng)測量隧道表面在此過程中的沉降量。在兩種不同的力學性能的土質(zhì)中，將全斷面開挖方法產(chǎn)生的沉降與環(huán)形開挖方法產(chǎn)生的沉降兩者進行比較。在低強度地面時，環(huán)形開挖方法造成的最大沉降為全斷面開挖方法產(chǎn)生的最大沉降的36%，在高強度地面時，環(huán)形開挖方法造成的最大沉降則為全斷面開挖方法的58%。應用三維彈塑性有限元分析對這些現(xiàn)象進行考慮。

沉降離心機；開挖試驗模型；機器人挖掘；有限元方法

近年來，新奧法（NATM）已通過了關(guān)于深度淺的軟地基上建設城市隧道的相關(guān)規(guī)定。采用新奧法的原因主要是這種方式比原有的隧道開挖方法更節(jié)約成本，而且針對不同類型的地面條件深度淺的軟地基上建設城市隧道具有更靈活的應用。在軟土地基上由隧道施工所產(chǎn)生的沉降可能會嚴重損害鄰近結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有的服務設施。建設城市隧道的施工環(huán)境變得越來越迫在眉睫。

1 概述

為了使新奧法更加經(jīng)濟實用，提出在地面條件復雜的城市地區(qū)通過環(huán)形開挖方法。該方法不需要任何額外的分析，將增加隧道表面的穩(wěn)定性并減少隧道表面前的沉降。環(huán)形開挖方法付諸使用之后，斷裂前清晰的位移值已由柳2009年給出。他針對一個多面新奧隧道在軟弱地基中的性能進行了彈塑性三維有限元分析，并得出環(huán)形開挖方法在沉降發(fā)生特點方面的影響。

軟土地區(qū)可能出現(xiàn)一些機械特性、或者是依賴應力-應變關(guān)系產(chǎn)生的非線性圍壓關(guān)系，這些都會影響地面沉降值。一個適合適的本構(gòu)模型對于適當?shù)奈灰祁A測是至關(guān)重要的。

為了用實驗的方法澄清這一點，離心模型試驗用機器人挖掘了兩種不同施工環(huán)境下的隧道進行研究。將環(huán)形開挖方法所得的沉降量與全斷面開挖方法所得的沉降量進行比較。補充三維彈塑性有限元方法的數(shù)值分析，并付諸試驗，研究該環(huán)形開挖方法作為一種影響審查沉降的主要因素有哪些。

2 離心模型試驗

2.1 試驗體系

該裝置采用離心模型試驗，即采用挖掘機器人控制的計算機程序、圖像分析系統(tǒng)測量的沉降點，該方法已經(jīng)被Hisatake和Ohno于2008年和Hisatake等人于 2009年所使用。

2.2 試驗條件

試驗場地不是在原位場地，試驗場地進行充分壓實。他們由石英砂，水泥，高嶺土和水組成。兩種養(yǎng)護方式，2天和4天，用于制造不同的機械特性的實驗依據(jù)。為每一個案件應力應變關(guān)系都使用圖表進行表明。它們強烈表明圍壓依賴和非線性。

2.3 開挖方法

兩種開挖方法，全斷面開挖方法和環(huán)形開挖方法，通過對比，驗證環(huán)形開挖方法在減少沉降方面更有利。

2.3.1 全斷面開挖方法

應用全斷面開挖方法從門開始挖，5mm一次，使總開挖深度40mm。

2.3.2 環(huán)形開挖開挖方法

在環(huán)形開挖中保證開挖深度為5mm，重復8次，以是總的開挖深度為40mm。場地核心預留在隧道的中心處。面積約為全斷面開挖面積的55%，因此，該地區(qū)的核心區(qū)域仍然保持在45%。

3 考慮三維彈塑性有限元分析——下沉對塑性區(qū)域的影響

進行三維彈塑性有限元分析，并且補充一些考慮。分析輸入值，確定三軸壓縮試驗的參考結(jié)果。地面應該是一個完整的彈塑性材料，并且符合-莫爾庫侖破壞準則以及相關(guān)流動法則。彈性模量的價值在于確定在隧道開挖前，在隧道中心、對應于圍壓水平應力的三軸壓縮試驗的的壓縮系數(shù)。環(huán)形開挖和全斷面開挖方法分析顯示，在每種情況下，塑性區(qū)的研究分析都是必不可少的。仔細觀察實驗性場地轉(zhuǎn)換成重力場的分析模型。對應于那些在實驗中采用的分析方法，對隧道的幾何和開挖過程進行分析。

在塑性區(qū)域的最后階段中。全斷面開挖產(chǎn)生的塑性區(qū)域在隧道表面可以看出。另一方面，環(huán)形開挖方法開挖所產(chǎn)生的塑性區(qū)域在隧道表面很難看出。在隧道表面處塑料地區(qū)爆發(fā)受環(huán)形開挖核心抑制。因此，核心穩(wěn)定了隧道的表面，并且抑制了隧道表面的沉降。

同時對地面條件的情況進行分析可以得到相應的結(jié)果。全斷面開挖所產(chǎn)生的塑性區(qū)域可以再表面后部較低的地方看到，在表面處看不到。此外，環(huán)形開挖方法產(chǎn)生的塑性區(qū)發(fā)生輕微的核心部分，但他們沒有發(fā)生其他地方。簡而言之，在全斷面開挖中，塑性區(qū)在表面前的地面上不能發(fā)生，而且核心抑制爆發(fā)塑料區(qū)域的效果也不能指望地面有足夠的強度。

4 結(jié)論

4.1 離心模型試驗用挖掘機器人已進行了地面條件不同機械特性的隧道的挖掘。環(huán)形開挖和全斷面開挖的過程中已澄清了沉降特性。

4.2 在低強度方案中，環(huán)形開挖產(chǎn)生的最大下沉量約為全斷面開挖產(chǎn)生的36%。這表明，環(huán)形開挖方法在減小沉降方面是非常有效的。另外，在高強度的方案中，環(huán)形開挖產(chǎn)生的最大下沉量約為全斷面開挖產(chǎn)生的58%。

4.3 用三維彈塑性有限元分析離心模型試驗的實驗結(jié)果，比較兩種方法的塑性區(qū)大小。通過分析試驗模型、塑性區(qū)的比較來衡量沉降量的大小，并得出如下結(jié)論：（1）當全斷面開挖的隧道表面出現(xiàn)塑性區(qū)域時，可采用環(huán)形開挖方法降低這種情況發(fā)生程度，環(huán)形開挖方法在減小沉降方面的效果是可以預見的。（2）核心區(qū)域的存在使環(huán)形開挖方法在隧道表面最小主應力的減小受到限制，也導致了變形系數(shù)值的減小。核心有助于維持隧道開挖面軸向壓力。當變形系數(shù)對圍壓的依賴性高的時候，核心對變形的影響是可以預測的。換句話說，環(huán)形開挖方法的影響，尤其是對于抑制下沉方面的影響，其影響程度隨著變形系數(shù)對圍壓的依賴性發(fā)生變化。

這項研究闡明了環(huán)形開挖方法影響了下沉隧道沉降量，在此項研究中，環(huán)形開挖方法與全斷面開挖方法之間的比例為55%。然而，環(huán)形開挖開挖的影響不僅由環(huán)形開挖面積比率控制，而且受核心區(qū)、隧道形狀等因素的制約。基于以上的因素，將來環(huán)形開挖方法在抑制地面下沉方面的影響是有望預見的。

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[2] Bernaud， D．， Maghous， S．， de Buhan， P．， Couto， E．， 2009 一個將隧道設計為一個均質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)值方法[J]．隧道及地下空間的技術(shù)，533-546．

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