辅助隧道连续开挖与主体隧道开挖相互影响的探讨

陈德云　张奥宇

(1.温州信达交通工程试验检测有限公司，浙江 温州　325000；　2.长安大学公路学院，陕西 西安　710064)



辅助隧道连续开挖与主体隧道开挖相互影响的探讨

陈德云1张奥宇2

(1.温州信达交通工程试验检测有限公司，浙江 温州325000；2.长安大学公路学院，陕西 西安710064)

根据有限差分软件的计算原理，采用岩土工程通用软件FLAC3D，对隧道分步开挖时辅助隧道与主体隧道之间的相互影响问题进行了数值模拟，研究了隧道开挖两端的位移及应力情况以及辅助隧道采用不同支护时整个模型的应力状态，结果表明，辅助隧道采用管片环形支护可以大大减小对地层的扰动和对主体隧道的影响，支护效果好于钢拱架支护。

FLAC3D，隧道，支护结构，位移

0　引言

随着城市地下空间的持续开发和地铁的大力修建，使得地下空间的利用越来越密集，经常会出现相邻隧道的开挖，新建隧道必会对已建隧道产生影响，所以有必要分析新建隧道对已建隧道的影响，包括应力应变或位移。研究的方法有现场监控量测以及数值模拟，数值模拟方便简单，FLAC3D软件在岩土工程的应用广泛，尤其擅长非线性问题和大变形的塑性流动，而且包含有岩土工程中常见的结构单元，非常适合模拟岩土工程中的力学问题。国内外这方面的研究也有很多，大多采用有限元分析，FDM法用的较少，但是大多没有做支护的对比分析，本文建立模型，对支护结构进行了对比分析，对施工中可能出现的高应力区以及大变形区域进行了预测，以后对于此类工程的施工具有一定的参考价值。

隧道是围岩与支护结构的综合体[1]。隧道开挖后，产生的围岩压力是由周围一定范围内的岩体与人工支护结构共同承担，围岩与支护结构看作“支护系统”。为了能安全适用，快速施工，必须对上述支护系统“稳定性”做出评价，以便能及时或提前做出合理的设计施工措施。通过软件对不同支护体系的支护效果进行评价，希望能对以后实际问题的解决提供一些参考。

1　相邻隧道影响的FLAC模型

1.1FLAC算法流程

算法流程如图1所示。

图1　FLAC的计算流程

假定某一时刻各个节点的速度为已知，则根据高斯定律可求得单元的应变率，进而根据材料的本构定律可求得单元格新的应力。

1.2建模的依据

首先通过在外边界施加荷载和边界条件以获得隧道开挖前的围岩应力场，即初始应力场(达到初始平衡状态)，并在开挖后，通过网格节点将荷载加于结构单元上，以达到加载的目的。围岩、结构材料都选取实际的性能参数，以尽可能地模拟二者之间真实的工作状态。采用Shell结构单元模拟开挖后辅助隧道的支护结构，为减小计算量，对称问题采取半对称结构进行模拟。

1.3划域及处理方法

隧道理论上属于无限域问题，实际在离隧道3倍～5倍断面最大尺度处，应力、位移的变化已经很少。故FLAC计算时可取这一范围作为划分单元的区域。通常情况下，一般隧道长度远大于其横断面尺寸，所以在进行围岩稳定性分析时，可以把隧道简化为平面应变问题来处理。

1.4网格的划分

由于版本的不同，FLAC能够划分的网格也不同，例如FLAC 3.0版本，在摩尔—库仑的本构模型下可建立渐变网格模型，即离隧道越近处网格越密，离隧道越远处网格越疏，能够在保证关注区域足够精度的情况下尽量减小计算量。建立的网格如图2所示。

1.5数据的输入

数据的输入主要包括初始边界约束条件、荷载条件与材料参数(其中包括支护参数)。

1.6数值计算结果分析

通过应力、位移及位移随时间的变化率来判断隧道的稳定性。

2　模拟说明及计算结果

首先建立模型，设置边界条件，进行求解，得到初始应力状态。从图3可以看到模型大约500时步已接近平衡，最终模型计算到了2 000步。然后进行第1步开挖25 m，未施作支护，查看模型的状态；第2步，对已开挖25 m的辅助隧道进行支护，然后继续开挖25 m，未施作支护，查看此时的模型状态；第3步，主体隧道开挖25 m(未施作支护)，此时查看模型的状态。模型中监测记录了辅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个记录点。辅助隧道始终先于主体隧道开挖一步。

图2　模型示意图　　　　　　图3　模型的应力状态

从图4～图8中可以得出辅助隧道开挖后及时施作支护，监测点的位移明显减小。从Z方向以及X方向的位移云图可以看到主体隧道开挖后，仰拱位置有可能产生底鼓现象，靠近辅助隧道侧边X方向位移明显大于远离辅助隧道一侧，说明辅助隧道开挖对主体隧道造成了影响，施工中应加强对这些部位的监测，防止发生事故。

图4　第1步开挖未施作支护时的位移曲线

图5　第2步(第1步开挖施作支护时)的位移曲线

图6　开挖50m后，主体隧道开挖25 m时的位移云图

图7　开挖对主体隧道　　　　　图8　开挖对主体隧道影响的Z方向的位移云图　　　　影响的X方向的位移云图

3　支护措施分析

在FLAC3D中分别采用梁单元和壳单元进行开挖支护的模拟，有两种方案进行对比，第一种采用壳单元进行模拟，第二种采用纵向梁单元近似模拟，结果分别如图9～图12所示。

图9　Shell单元　　　　　　　　图10　Beam单元进行支护的位移云图　　　　　　进行支护的位移云图

从图11，图12中可以看出Shell单元也就是管片可以有效地控制隧道开挖面和洞门处的位移，产生的位移量均小于简单的梁支护。从整体的位移云图上来看，采用管片支护对地面的影响小于采用梁支护，辅助隧道采用管片支护大大减小了对隧道初期开挖产生的大位移区域，使得开挖更加稳定，实际情况下，施工的情况也确实如此。

图11　Shell单元支护时的节点位移监测图

图12　Beam单元支护时的节点位移监测图

4　结语

本文探究了辅助隧道和主体隧道的相互开挖影响，得出的结果比较符合实际情况，对于设计和施工可以提供一定的参考。根据数值模拟结果，施工中需要加强监控量测，对危险点的位移要重视，支护结构方面，有条件的采用管片支护效果较好。但是，此模型还是有未完善的地方，如下：

1)未考虑施工中有可能遇到地下水的作用，可以采用流固耦合(修正剑桥模型)进行模拟更加贴近实际情况。

2)Beam单元可以用于开挖支护，但不太常见，Liner单元可以建立接触面，考虑支护结构与土体的相互作用，更符合实际情况，但是结构单元参数不太好确定，最好是要做现场实验确定参数，计算量也大大增加，计算时间相应也会增加。

[1]朱永全.隧道稳定性位移判别准则[J].中国铁道科学，2001，22(6):80-83.

[2]闫春岭，丁德馨，崔振东，等.FLAC在铁山坪隧道围岩稳定性分析中的应用[J].地下空间与工程学报，2006，2(3):500-502.

[3]梁璋彬，赵其华.基于FLAC的荷载结构法在衬砌验算中的应用[J].山西建筑，2007，33(26):316-317.

[4]JTG D70—2004，公路隧道设计规范[S].

[5]陈育民，徐鼎平.FLAC 3D基础与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[6]Itasca Consulting Group，Inc..Fast language analysis of continua in 3 dimensions，version 3.0，user’s manual.Itasca consulting group，inc.，2005.

[7]厦永旭,王永东.隧道结构力学计算[M].北京:人民交通出版社,2004:16-61.

[8]刘波,[美]韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005:339-522.

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

陈德云(1974- )，男，硕士，工程师；张奥宇(1992- )，男，在读硕士

U455

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