輔助隧道連續(xù)開挖與主體隧道開挖相互影響的探討

陳德云　張奧宇

(1.溫州信達(dá)交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，浙江 溫州　325000；　2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安　710064)

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輔助隧道連續(xù)開挖與主體隧道開挖相互影響的探討

陳德云1張奧宇2

(1.溫州信達(dá)交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，浙江 溫州325000；2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安710064)

根據(jù)有限差分軟件的計(jì)算原理，采用巖土工程通用軟件FLAC3D，對(duì)隧道分步開挖時(shí)輔助隧道與主體隧道之間的相互影響問題進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了隧道開挖兩端的位移及應(yīng)力情況以及輔助隧道采用不同支護(hù)時(shí)整個(gè)模型的應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)果表明，輔助隧道采用管片環(huán)形支護(hù)可以大大減小對(duì)地層的擾動(dòng)和對(duì)主體隧道的影響，支護(hù)效果好于鋼拱架支護(hù)。

FLAC3D，隧道，支護(hù)結(jié)構(gòu)，位移

0　引言

隨著城市地下空間的持續(xù)開發(fā)和地鐵的大力修建，使得地下空間的利用越來越密集，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)相鄰隧道的開挖，新建隧道必會(huì)對(duì)已建隧道產(chǎn)生影響，所以有必要分析新建隧道對(duì)已建隧道的影響，包括應(yīng)力應(yīng)變或位移。研究的方法有現(xiàn)場監(jiān)控量測(cè)以及數(shù)值模擬，數(shù)值模擬方便簡單，F(xiàn)LAC3D軟件在巖土工程的應(yīng)用廣泛，尤其擅長非線性問題和大變形的塑性流動(dòng)，而且包含有巖土工程中常見的結(jié)構(gòu)單元，非常適合模擬巖土工程中的力學(xué)問題。國內(nèi)外這方面的研究也有很多，大多采用有限元分析，F(xiàn)DM法用的較少，但是大多沒有做支護(hù)的對(duì)比分析，本文建立模型，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)施工中可能出現(xiàn)的高應(yīng)力區(qū)以及大變形區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以后對(duì)于此類工程的施工具有一定的參考價(jià)值。

隧道是圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的綜合體[1]。隧道開挖后，產(chǎn)生的圍巖壓力是由周圍一定范圍內(nèi)的巖體與人工支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)看作“支護(hù)系統(tǒng)”。為了能安全適用，快速施工，必須對(duì)上述支護(hù)系統(tǒng)“穩(wěn)定性”做出評(píng)價(jià)，以便能及時(shí)或提前做出合理的設(shè)計(jì)施工措施。通過軟件對(duì)不同支護(hù)體系的支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，希望能對(duì)以后實(shí)際問題的解決提供一些參考。

1　相鄰隧道影響的FLAC模型

1.1FLAC算法流程

算法流程如圖1所示。

圖1　FLAC的計(jì)算流程

假定某一時(shí)刻各個(gè)節(jié)點(diǎn)的速度為已知，則根據(jù)高斯定律可求得單元的應(yīng)變率，進(jìn)而根據(jù)材料的本構(gòu)定律可求得單元格新的應(yīng)力。

1.2建模的依據(jù)

首先通過在外邊界施加荷載和邊界條件以獲得隧道開挖前的圍巖應(yīng)力場，即初始應(yīng)力場(達(dá)到初始平衡狀態(tài))，并在開挖后，通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)將荷載加于結(jié)構(gòu)單元上，以達(dá)到加載的目的。圍巖、結(jié)構(gòu)材料都選取實(shí)際的性能參數(shù)，以盡可能地模擬二者之間真實(shí)的工作狀態(tài)。采用Shell結(jié)構(gòu)單元模擬開挖后輔助隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量，對(duì)稱問題采取半對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

1.3劃域及處理方法

隧道理論上屬于無限域問題，實(shí)際在離隧道3倍～5倍斷面最大尺度處，應(yīng)力、位移的變化已經(jīng)很少。故FLAC計(jì)算時(shí)可取這一范圍作為劃分單元的區(qū)域。通常情況下，一般隧道長度遠(yuǎn)大于其橫斷面尺寸，所以在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析時(shí)，可以把隧道簡化為平面應(yīng)變問題來處理。

1.4網(wǎng)格的劃分

由于版本的不同，F(xiàn)LAC能夠劃分的網(wǎng)格也不同，例如FLAC 3.0版本，在摩爾—庫侖的本構(gòu)模型下可建立漸變網(wǎng)格模型，即離隧道越近處網(wǎng)格越密，離隧道越遠(yuǎn)處網(wǎng)格越疏，能夠在保證關(guān)注區(qū)域足夠精度的情況下盡量減小計(jì)算量。建立的網(wǎng)格如圖2所示。

1.5數(shù)據(jù)的輸入

數(shù)據(jù)的輸入主要包括初始邊界約束條件、荷載條件與材料參數(shù)(其中包括支護(hù)參數(shù))。

1.6數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

通過應(yīng)力、位移及位移隨時(shí)間的變化率來判斷隧道的穩(wěn)定性。

2　模擬說明及計(jì)算結(jié)果

首先建立模型，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行求解，得到初始應(yīng)力狀態(tài)。從圖3可以看到模型大約500時(shí)步已接近平衡，最終模型計(jì)算到了2 000步。然后進(jìn)行第1步開挖25 m，未施作支護(hù)，查看模型的狀態(tài)；第2步，對(duì)已開挖25 m的輔助隧道進(jìn)行支護(hù)，然后繼續(xù)開挖25 m，未施作支護(hù)，查看此時(shí)的模型狀態(tài)；第3步，主體隧道開挖25 m(未施作支護(hù))，此時(shí)查看模型的狀態(tài)。模型中監(jiān)測(cè)記錄了輔助隧道的起始和末尾端的X方向位移以及Z方向位移，共4個(gè)記錄點(diǎn)。輔助隧道始終先于主體隧道開挖一步。

圖2　模型示意圖　　　　　　圖3　模型的應(yīng)力狀態(tài)

從圖4～圖8中可以得出輔助隧道開挖后及時(shí)施作支護(hù)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移明顯減小。從Z方向以及X方向的位移云圖可以看到主體隧道開挖后，仰拱位置有可能產(chǎn)生底鼓現(xiàn)象，靠近輔助隧道側(cè)邊X方向位移明顯大于遠(yuǎn)離輔助隧道一側(cè)，說明輔助隧道開挖對(duì)主體隧道造成了影響，施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這些部位的監(jiān)測(cè)，防止發(fā)生事故。

圖4　第1步開挖未施作支護(hù)時(shí)的位移曲線

圖5　第2步(第1步開挖施作支護(hù)時(shí))的位移曲線

圖6　開挖50m后，主體隧道開挖25 m時(shí)的位移云圖

圖7　開挖對(duì)主體隧道　　　　　圖8　開挖對(duì)主體隧道影響的Z方向的位移云圖　　　　影響的X方向的位移云圖

3　支護(hù)措施分析

在FLAC3D中分別采用梁單元和殼單元進(jìn)行開挖支護(hù)的模擬，有兩種方案進(jìn)行對(duì)比，第一種采用殼單元進(jìn)行模擬，第二種采用縱向梁單元近似模擬，結(jié)果分別如圖9～圖12所示。

圖9　Shell單元　　　　　　　　圖10　Beam單元進(jìn)行支護(hù)的位移云圖　　　　　　進(jìn)行支護(hù)的位移云圖

從圖11，圖12中可以看出Shell單元也就是管片可以有效地控制隧道開挖面和洞門處的位移，產(chǎn)生的位移量均小于簡單的梁支護(hù)。從整體的位移云圖上來看，采用管片支護(hù)對(duì)地面的影響小于采用梁支護(hù)，輔助隧道采用管片支護(hù)大大減小了對(duì)隧道初期開挖產(chǎn)生的大位移區(qū)域，使得開挖更加穩(wěn)定，實(shí)際情況下，施工的情況也確實(shí)如此。

圖11　Shell單元支護(hù)時(shí)的節(jié)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)圖

圖12　Beam單元支護(hù)時(shí)的節(jié)點(diǎn)位移監(jiān)測(cè)圖

4　結(jié)語

本文探究了輔助隧道和主體隧道的相互開挖影響，得出的結(jié)果比較符合實(shí)際情況，對(duì)于設(shè)計(jì)和施工可以提供一定的參考。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，施工中需要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)的位移要重視，支護(hù)結(jié)構(gòu)方面，有條件的采用管片支護(hù)效果較好。但是，此模型還是有未完善的地方，如下：

1)未考慮施工中有可能遇到地下水的作用，可以采用流固耦合(修正劍橋模型)進(jìn)行模擬更加貼近實(shí)際情況。

2)Beam單元可以用于開挖支護(hù)，但不太常見，Liner單元可以建立接觸面，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，更符合實(shí)際情況，但是結(jié)構(gòu)單元參數(shù)不太好確定，最好是要做現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)確定參數(shù)，計(jì)算量也大大增加，計(jì)算時(shí)間相應(yīng)也會(huì)增加。

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Discussion on the interaction of auxiliary tunnel continuous excavation and main tunnel excavation

Chen Deyun1Zhang Aoyu2

(1.WenzhouXindaTrafficEngineeringTestingandDetectionLimitedCompany,Wenzhou325000,China;2.InstituteofHighway,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

According to the principles of the finite difference calculation software， using a common geotechnical engineering software FLAC3D, simulates the interaction between the service tunnel with the main tunnel during step excavation， studies tunnel excavation end of displacement and stress as well as the stress state of the entire secondary tunnel adopts different support model， results showed that the use of shell support can be greatly reduced and the formation of disturbances the impact of the main tunnel， supporting influence superior to steel arch support.

FLAC3D, tunnel, supporting structure, displacement

1009-6825(2016)21-0167-03

2016-05-17

陳德云(1974- )，男，碩士，工程師；張奧宇(1992- )，男，在讀碩士

U455

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