软岩隧道中环形开挖方法控制沉降的主要影响因素

（重庆市渝中区第九建筑工程公司，重庆 400015）

软岩隧道中环形开挖方法控制沉降的主要影响因素

伍川生

（重庆市渝中区第九建筑工程公司，重庆 400015）

文章介绍了离心模型试验和三维弹塑性有限元分析的结果对环形开挖法在约束前面隧道围岩的地面沉降方面上的影响进行了澄清。在软土地及附近，利用离心加载状态下的机器人开挖一个模型隧道，用一个高精度的图像分析系统测量隧道表面在此过程中的沉降量。在两种不同的力学性能的土质中，将全断面开挖方法产生的沉降与环形开挖方法产生的沉降两者进行比较。在低强度地面时，环形开挖方法造成的最大沉降为全断面开挖方法产生的最大沉降的36%，在高强度地面时，环形开挖方法造成的最大沉降则为全断面开挖方法的58%。应用三维弹塑性有限元分析对这些现象进行考虑。

沉降离心机；开挖试验模型；机器人挖掘；有限元方法

近年来，新奥法（NATM）已通过了关于深度浅的软地基上建设城市隧道的相关规定。采用新奥法的原因主要是这种方式比原有的隧道开挖方法更节约成本，而且针对不同类型的地面条件深度浅的软地基上建设城市隧道具有更灵活的应用。在软土地基上由隧道施工所产生的沉降可能会严重损害邻近结构和现有的服务设施。建设城市隧道的施工环境变得越来越迫在眉睫。

1 概述

为了使新奥法更加经济实用，提出在地面条件复杂的城市地区通过环形开挖方法。该方法不需要任何额外的分析，将增加隧道表面的稳定性并减少隧道表面前的沉降。环形开挖方法付诸使用之后，断裂前清晰的位移值已由柳2009年给出。他针对一个多面新奥隧道在软弱地基中的性能进行了弹塑性三维有限元分析，并得出环形开挖方法在沉降发生特点方面的影响。

软土地区可能出现一些机械特性、或者是依赖应力-应变关系产生的非线性围压关系，这些都会影响地面沉降值。一个适合适的本构模型对于适当的位移预测是至关重要的。

为了用实验的方法澄清这一点，离心模型试验用机器人挖掘了两种不同施工环境下的隧道进行研究。将环形开挖方法所得的沉降量与全断面开挖方法所得的沉降量进行比较。补充三维弹塑性有限元方法的数值分析，并付诸试验，研究该环形开挖方法作为一种影响审查沉降的主要因素有哪些。

2 离心模型试验

2.1 试验体系

该装置采用离心模型试验，即采用挖掘机器人控制的计算机程序、图像分析系统测量的沉降点，该方法已经被Hisatake和Ohno于2008年和Hisatake等人于 2009年所使用。

2.2 试验条件

试验场地不是在原位场地，试验场地进行充分压实。他们由石英砂，水泥，高岭土和水组成。两种养护方式，2天和4天，用于制造不同的机械特性的实验依据。为每一个案件应力应变关系都使用图表进行表明。它们强烈表明围压依赖和非线性。

2.3 开挖方法

两种开挖方法，全断面开挖方法和环形开挖方法，通过对比，验证环形开挖方法在减少沉降方面更有利。

2.3.1 全断面开挖方法

应用全断面开挖方法从门开始挖，5mm一次，使总开挖深度40mm。

2.3.2 环形开挖开挖方法

在环形开挖中保证开挖深度为5mm，重复8次，以是总的开挖深度为40mm。场地核心预留在隧道的中心处。面积约为全断面开挖面积的55%，因此，该地区的核心区域仍然保持在45%。

3 考虑三维弹塑性有限元分析——下沉对塑性区域的影响

进行三维弹塑性有限元分析，并且补充一些考虑。分析输入值，确定三轴压缩试验的参考结果。地面应该是一个完整的弹塑性材料，并且符合-莫尔库仑破坏准则以及相关流动法则。弹性模量的价值在于确定在隧道开挖前，在隧道中心、对应于围压水平应力的三轴压缩试验的的压缩系数。环形开挖和全断面开挖方法分析显示，在每种情况下，塑性区的研究分析都是必不可少的。仔细观察实验性场地转换成重力场的分析模型。对应于那些在实验中采用的分析方法，对隧道的几何和开挖过程进行分析。

在塑性区域的最后阶段中。全断面开挖产生的塑性区域在隧道表面可以看出。另一方面，环形开挖方法开挖所产生的塑性区域在隧道表面很难看出。在隧道表面处塑料地区爆发受环形开挖核心抑制。因此，核心稳定了隧道的表面，并且抑制了隧道表面的沉降。

同时对地面条件的情况进行分析可以得到相应的结果。全断面开挖所产生的塑性区域可以再表面后部较低的地方看到，在表面处看不到。此外，环形开挖方法产生的塑性区发生轻微的核心部分，但他们没有发生其他地方。简而言之，在全断面开挖中，塑性区在表面前的地面上不能发生，而且核心抑制爆发塑料区域的效果也不能指望地面有足够的强度。

4 结论

4.1 离心模型试验用挖掘机器人已进行了地面条件不同机械特性的隧道的挖掘。环形开挖和全断面开挖的过程中已澄清了沉降特性。

4.2 在低强度方案中，环形开挖产生的最大下沉量约为全断面开挖产生的36%。这表明，环形开挖方法在减小沉降方面是非常有效的。另外，在高强度的方案中，环形开挖产生的最大下沉量约为全断面开挖产生的58%。

4.3 用三维弹塑性有限元分析离心模型试验的实验结果，比较两种方法的塑性区大小。通过分析试验模型、塑性区的比较来衡量沉降量的大小，并得出如下结论：（1）当全断面开挖的隧道表面出现塑性区域时，可采用环形开挖方法降低这种情况发生程度，环形开挖方法在减小沉降方面的效果是可以预见的。（2）核心区域的存在使环形开挖方法在隧道表面最小主应力的减小受到限制，也导致了变形系数值的减小。核心有助于维持隧道开挖面轴向压力。当变形系数对围压的依赖性高的时候，核心对变形的影响是可以预测的。换句话说，环形开挖方法的影响，尤其是对于抑制下沉方面的影响，其影响程度随着变形系数对围压的依赖性发生变化。

这项研究阐明了环形开挖方法影响了下沉隧道沉降量，在此项研究中，环形开挖方法与全断面开挖方法之间的比例为55%。然而，环形开挖开挖的影响不仅由环形开挖面积比率控制，而且受核心区、隧道形状等因素的制约。基于以上的因素，将来环形开挖方法在抑制地面下沉方面的影响是有望预见的。

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