隧道开挖引起地表变形及应力分布数值模拟

刘建委

摘要：本篇论文根据搜集的原始资料，应用有限元分析地铁车站隧道施工时采用浅埋暗挖技术，产生的地表沉降、水平变形和隧道围岩的应力及变形分布。提出了在确定作用在隧道上的外荷载的大小时，考虑应力重分布的作用的计算模型（如太沙基模型）比较合适。

关键词：隧道;浅埋暗挖;有限元分析

1 前言

由于岩体被开挖后，岩体内会沿开挖面产生应力重分布，即产生瞬时应力，若应力重分布后岩体中的内应力小于岩体强度，则岩体将参与共同受力，而在当内应力大于岩体强度时，则会产生较大的塑性应变并失去原有的刚度，从而不能参与共同受力，只可视为外部荷载。因此岩体是否参与受力则取决于岩体在产生应力重分布以后的应力状态，岩体的应力状态可通过分析孔洞围岩的应力及应变分布获得。因此，分析隧道围岩的应力及变形有两个意义：第一，在计算隧道上作用的外荷载时，需参照岩体的应力状态;第二，在设计外壳如锚杆、注浆加固时要参考塑性区的范围。

用于计算隧道内力的数值方法主要为有限元法。本文采用有限元法对北京地铁4号线隧道暗挖段开挖后，对采用不同支护顺序引起地表沉降、水平变形及应力分布进行了模拟。

2 工程概况

本工程位于北京中关村大街及北三环四通桥旁，周围为居民小区楼房。地铁4号线线路全长28.14km，宽22.2m，高13.15m，结构覆土厚度9.5m，共设有24座车站，正线全部为地下线。地铁车站两端双层明挖端头厅，中间单层暗挖，，地下一层为站厅层，层高6.6m，地下二层为岛式站台层，层高6.65m。……