郝 哲，陳殿強(qiáng)，侯永莉

（1.沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧沈陽 110013）

沈陽地鐵隧道開挖過程穩(wěn)定性分析

郝 哲1，2，陳殿強(qiáng)2，侯永莉2

（1.沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧沈陽 110044；2.遼寧有色勘察研究院，遼寧沈陽 110013）

采用GeoFBA軟件，對沈陽地鐵隧道開挖全過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對圍巖、噴射混凝土、模筑混凝土、錨桿的應(yīng)力和變形特征進(jìn)行分析.結(jié)果表明，沈陽地鐵隧道設(shè)計當(dāng)中初擬的結(jié)構(gòu)尺寸（包括初期支護(hù)、二次支護(hù)）、超前小導(dǎo)管支護(hù)、錨桿支護(hù)是可以適應(yīng)圍巖狀況的，經(jīng)支護(hù)后的沈陽地鐵隧道是穩(wěn)定的.臺階法開挖對于沈陽地鐵隧道開挖是適用的.

沈陽地鐵；GeoFBA；開挖過程；數(shù)值模擬

沈陽地鐵是沈陽城建史上投資最多、規(guī)模最大的重點工程.沈陽地鐵一號線也是東北地區(qū)的第一條地鐵線，其建設(shè)及運(yùn)營成功與否直接關(guān)系到東北地區(qū)地鐵的后續(xù)建設(shè).一號線位于沈陽地鐵線路網(wǎng)規(guī)劃的中段，東西走向，正線長22.05 km，全部為地下線路，總投資94.8億元.沈陽地鐵一號線開挖方法包括明挖法、新奧法和盾構(gòu)法等.

對于復(fù)雜條件下的隧道和地下工程進(jìn)行開挖和支護(hù)的施工，是一個隨空間和時間不斷變化的動態(tài)過程［1］.于學(xué)馥認(rèn)為地下開挖是一個多步驟的、每次開挖均對以后各次產(chǎn)生影響的復(fù)雜過程，圍巖的穩(wěn)定性不僅與最終狀態(tài)相關(guān)，還與過程相關(guān)，改變工程工藝和施工順序可以使不穩(wěn)定的巖土工程變?yōu)榉€(wěn)定［2］.朱維申等還提出了“巖體動態(tài)施工過程力學(xué)”的概念［3］.

沈陽地鐵隧道開挖過程的穩(wěn)定性如何，是建設(shè)中的地鐵工程必須要考慮的首要課題.選取有代表性的地鐵隧道，開展相應(yīng)開挖過程穩(wěn)定性研究，具有重要的理論意義和實用價值.

1 模型建立

1.1 現(xiàn)場開挖方法

現(xiàn)場隧道開挖過程如圖1所示.

1.2 模擬開挖過程與模擬區(qū)域設(shè)定

針對現(xiàn)場實際臺階法開挖過程，所模擬的開挖過程定為6個開挖步：①開挖前小導(dǎo)管預(yù)注漿；②上分層開挖并保留核心土；③上分層開挖的隧道周邊錨噴支護(hù)；④核心土、下分層和仰拱開挖；⑤新開挖斷面錨噴支護(hù)，整個斷面初期支護(hù)完成；⑥全斷面模筑混凝土二次支護(hù).

圖1 現(xiàn)場地鐵隧道臺階法開挖過程Fig.1 In-situ metro tunnel excavation process by benching tunneling method

根據(jù)彈塑性理論［4］，模擬計算區(qū)域取為：左、右邊界距左、右隧洞20m，雙洞中心線間距14m，則左右模擬區(qū)域長54m；下邊界距中心點17m，上邊界取為地表平均標(biāo)高，距中心點13m，則上下模擬區(qū)域長30m.邊界條件設(shè)定為：左、右邊界x方向固定；底邊界y方向固定；頂邊界為位移

自由邊界，但考慮地表載荷：大西路寬度范圍內(nèi)為

27kN／m，路兩側(cè)區(qū)域為210kN／m.

1.3 計算模型及參數(shù)選取

采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則.巖土體采用各向同性彈塑性材料，四邊形單元；小導(dǎo)管注漿的擴(kuò)散區(qū)域根據(jù)擴(kuò)散半徑（0.65m）劃定，也采用彈塑性材料；錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元；噴混凝土采用Liner單元；二次襯砌采用Beam單元；噴層與二襯接觸面采用無厚度的Goodman單元；回填土采用彈塑性材料［5］.圍巖、錨桿、噴層（含鋼拱架）和二襯等材料的計算參數(shù)依據(jù)實驗室試驗和地質(zhì)報告提供的數(shù)據(jù)取值［6］，見表1～表3.

表2 支護(hù)參數(shù)表Table 2 Supporting parameters

表3 噴層與二襯間接觸面參數(shù)表Table 3 Interface parameters between spray layer and second lining

2 隧道開挖過程之有限元分析

計算分析采用GeoFBA2D4.0有限元軟件.

2.1 應(yīng)力

（1）σ1（最大主應(yīng)力）等值線圖.圖2為主應(yīng)力σ1等值線圖.

圖2 開挖步Fig.2 Excavation steps

（2）σ2（最小主應(yīng)力）等值線圖.圖3為主應(yīng)力σ2等值線圖.

圖3 開挖步Fig.3 Excavation steps

2.2 位移

圖4為位移矢量圖.

2.3 塑性區(qū)分布

圖5為塑性區(qū)分布圖.

圖4 開挖步Fig.4 Excavation steps

圖5 開挖步Fig.5 Excavation steps

2.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

2.4.1 錨桿和噴層單元軸力

圖6為錨桿和噴層軸力圖.

2.4.2 二次襯砌單元彎矩、剪力、軸力分布

圖7～圖9為開挖完畢后的二襯彎矩、剪力和軸力圖.

圖6 開挖步Fig.6 Excavation steps

3 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬結(jié)果可見：

（1）二維非線性彈塑性專用有限元程序GeoFBA-2D，能夠滿足模擬現(xiàn)場隧道、開挖過程并分析隧道工程穩(wěn)定性的需要.

（2）初始地應(yīng)力狀態(tài)的模擬結(jié)果表明：由于未進(jìn)行開挖，土層只受到地面載荷的作用，從初始主應(yīng)力矢量圖可以看出這種狀態(tài)下的應(yīng)力較均勻分布，隨著深度的增加，主應(yīng)力逐漸增加.

圖7 彎矩Fig.7 Bending moment

圖8 剪力Fig.8 Shear force

圖9 軸力Fig.9 Axial force

（3）上臺階開挖后，在開挖邊界產(chǎn)生了應(yīng)力集中，并有大量塑性區(qū)和受拉區(qū)出現(xiàn)，從主應(yīng)力等值線圖分析可見：塑性區(qū)主要分布在隧道的拱腳和墻腰，隧道頂板受拉力作用.

（4）進(jìn)行上臺階錨噴支護(hù)后，塑性區(qū)和受拉區(qū)有所減少，設(shè)計錨桿長度為3.5m時圍巖是處于穩(wěn)定狀態(tài)的.可見初期支護(hù)是能夠保持隧道上臺階開挖穩(wěn)定性的.但是開挖后不及時進(jìn)行支護(hù)，冒頂、片幫在所難免，不可能安全地進(jìn)行下臺階步的開挖.

（5）全斷面開挖后，可見下半臺階的開挖對隧道上半部圍巖的應(yīng)力分布產(chǎn)生了顯著影響.就隧道周邊而言，拱頂影響不是很明顯，而對墻腰影響較大，支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠維持頂板的穩(wěn)定.此時，隧道塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大，塑性區(qū)主要分布在隧道的拱腳和墻腰，拉裂區(qū)主要分布在拱頂.

（6）全斷面完成初期支護(hù)后，隧道塑性區(qū)和受拉區(qū)比上一步減小了，塑性區(qū)主要集中在圍巖周邊，由于錨桿和噴射混凝土的存在，使之拉裂區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，在分布上出現(xiàn)了不連續(xù)現(xiàn)象.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是錨桿端頭應(yīng)力集中，錨桿中部單元形成了擠壓帶，這種現(xiàn)象是符合錨桿作用機(jī)理的.最小主應(yīng)力值的最大值發(fā)生在頂板，從破壞系數(shù)來看，穩(wěn)定點在拱頂兩側(cè)小導(dǎo)管注漿區(qū)域以外.

（7）整個區(qū)域二次襯砌完畢后，在拱腳處仍有部分噴層單元屈服，但在模筑混凝土內(nèi)無塑性區(qū)存在.從圍巖主應(yīng)力等值線來看，拱腳位置仍是一個應(yīng)力集中區(qū)，主應(yīng)力最大值為71.9MPa，其他部位應(yīng)力集中程度有了一些緩和，主應(yīng)力沿隧道邊趨向均勻分布.需要說明的是，程序中對噴層按照只承受軸力的桿單元考慮，忽略了彎矩影響.但是噴層和錨桿內(nèi)產(chǎn)生的軸力進(jìn)一步增大，噴層內(nèi)最大軸力達(dá)到14.3MPa，少部分噴層發(fā)生了塑性屈服（C20混凝土強(qiáng)度9.6MPa）；噴層最大拉應(yīng)力達(dá)1.26MPa，但是未達(dá)到噴層抗拉強(qiáng)度；錨桿最大軸力為202MPa.全斷面二次支護(hù)完成后，二襯梁單元的彎矩最大值是183MPa，剪力是33.7MPa，最大拉應(yīng)力是42.9MPa.

從模擬結(jié)果可以看出，按設(shè)計步驟進(jìn)行開挖時，在進(jìn)行及時支護(hù)的情況下，隧道的開挖過程穩(wěn)定性是可以保證的，也滿足要求.

4 結(jié) 語

為指導(dǎo)沈陽地鐵隧道的設(shè)計與施工，對其進(jìn)行數(shù)值模擬是十分必要的，也是很經(jīng)濟(jì)的.本文以現(xiàn)場測量和實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，對沈陽地鐵隧道的施工開挖過程、支護(hù)過程、襯砌過程中圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬分析，直觀而真實地表現(xiàn)了隧道開挖各個過程的位移、應(yīng)力分布情況.模擬分析結(jié)果表明，沈陽地鐵隧道設(shè)計當(dāng)中初擬的結(jié)構(gòu)尺寸（包括初期支護(hù)、二次支護(hù)）、超前小導(dǎo)管支護(hù)、錨桿支護(hù)是可以適應(yīng)圍巖狀況的，經(jīng)支護(hù)后的沈陽地鐵隧道是穩(wěn)定的，臺階法開挖對于沈陽地鐵隧道開挖是適用的.其計算結(jié)果和有關(guān)結(jié)論對沈陽地鐵工程有較大指導(dǎo)意義.

［1］郝哲，劉向峰，王來貴.大跨度公路隧道開挖過程力學(xué)特性研究［M］.北京：地質(zhì)出版社，2010：32-33.

［2］于學(xué)馥，鄭穎人，劉懷恒，等.地下工程圍巖穩(wěn)定分析［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1983：15-16.

［3］朱維申，王可鈞.地下工程的監(jiān)測與數(shù)值計算［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18（S）：1248-1255.

［4］蔡美峰，何滿潮，劉東燕.巖石力學(xué)與工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2002：186-188.

［5］中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003：98-99.

［6］王鐵男，郝哲.FLAC在地鐵隧道數(shù)值模擬中的應(yīng)用［J］.沈陽大學(xué)學(xué)報，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

遼寧省教育廳高校科研項目（L2010377）；沈陽市科技局計劃項目（1081271-9-00-3）.

郝 哲（1972-），男，遼寧沈陽人，沈陽大學(xué)教授，博士.

劉延文】