以郑汴路站—经北二路站区间为例，进行数值分析研究。
盾构区间锚索处理拟采用竖井+暗挖施工导洞相结合的施工工艺形式。（定点）从地面开始开挖竖井，竖井开挖深度根据隧道拱顶埋深确定。竖井开挖到底之后采用混凝土封底，竖井初支施工至施工导洞拱顶部时，对施工导洞顶部试做两环的超前小导管，以保证开马头门时土体的稳定性。施工导洞开挖截面高7 600 mm，宽4 000 mm，上部硐室为半圆形，下部硐室为矩形。施工导洞采用超前小导管做超前支护，工字钢格栅+钢塑格栅挂网喷射混凝土为支护结构体系。
暗挖施工导洞法施工过程中导洞开挖是一项复杂的系统工程，涉及多道工序和多种支护方式，不同开挖工艺和支护参数会对周围土体产生不同的扰动。在分部开挖过程中，需要解决隧道施工对土体造成的沉降和扰动问题。首先必须预分析隧道不同开挖工艺对土体的扰动范围以及关键工序，控制隧道结构与临时支护的变形，然后选取合理的掘进参数和支护方案。本节根据施工导洞开挖支护施工工艺初步研究结果，对施工导洞整个开挖过程及支护结构的施作进行三维数值仿真研究，力求提出一套适合于本工程的实施方案。
研究表明，隧道开挖影响范围为3～10 倍开挖直径，结合计算机计算性能，模型尺寸采用长×高×宽=60 m×60 m×8 m，埋深取12 m，采用正台阶法开挖。开挖过程中采用模量折减法实现土体应力释放。施工导洞开挖、衬砌、钢拱架和锚杆的施作通过生死单元法实现；衬砌和钢拱架之间采用绑定约束，锚杆整体嵌入围岩。下边界固定三个方向的位移，左右和前后边界分别固定各自方向的位移。整个模型土体参数按照勘探报告设置。整体模型见图5.3.6，模型网格见图5.3.7，材料参数见表5.3.2 和表5.3.3。
图5.3.6 整体模型图
图5.3.7 整体网格图
表5.3.2 材料物性参数
表5.3.3 衬砌计算参数
施工导洞开挖支护工艺流程如图5.3.8 所示。
图5.3.8 施工导洞开挖工艺流程
1.不同开挖进尺
施工导洞施工中掘进参数的合理选取决定了施工的安全和效率，是施工导洞开挖能够顺利进行的关键，本节将针对这一问题进行详细研究。具体开挖工艺如表5.3.4 所示。
表5.3.4 横通开挖工艺
1）地表沉降对比分析
不同开挖工艺下地表沉降云图如图5.3.9 所示。
图5.3.9 不同开挖进尺下地表沉降云图（单位：m）
从不同开挖工艺下地表沉降云图可以看出拱底有轻微隆起，最大隆起量在3 cm 左右，处于合理范围。沿模型宽度方向取路径，绘制地表沉降对比曲线，如图5.3.10 所示。从图中可以看出，拱顶正上方地表出现明显沉降，当施工导洞掘进尺寸为 0.5 m时，沉降值最小，掘进尺寸为2.0 m 时沉降值最大，最大值在10 mm 左右。说明掘进尺寸为0.5 m 时，围岩垂直变形更偏于安全。
图5.3.10 地表沉降对比曲线
2）侧壁水平收敛对比分析
不同开挖工艺下围岩侧壁水平收敛云图如图5.3.11 所示。
图5.3.11 不同开挖进尺下围岩水平收敛云图（单位：m）
从不同开挖工艺下围岩水平收敛云图可以看出围岩左右侧壁水平位移呈对称分布，最大值在4 cm 左右。沿侧壁竖向取路径，绘制侧壁水平收敛对比曲线，如图5.3.12所示。从图5.3.12 可以看出随开挖进尺的增加，侧壁水平收敛逐渐增大，但幅度极小。
图5.3.12 不同开挖进尺下侧壁水平位移对比曲线
3）衬砌受力对比分析
不同开挖工艺下衬砌最大主应力云图如图5.3.13 所示。
图5.3.13 不同开挖进尺下衬砌最大主应力云图（单位：kPa）
从云图中可以看出不同开挖进尺下衬砌最大主应力最大值均出现在拱底边角处。取三种工况下衬砌最大拉应力和最大压应力，如表5.3.5 所示。
表5.3.5 不同开挖进尺下衬砌结构最大拉应力和最大压应力
从表中可以看出，随着掘进尺寸的增大，衬砌结构最大拉应力增加，由于衬砌结构中有钢塑格栅，因此最大拉应力在7.2 MPa 左右也是安全的，但为了保守起见，建议开挖进尺选择 0.5 m。而最大压应力随掘进尺寸的变化较复杂，但总的来说，其值极小，远小于衬砌结构的抗压强度。说明衬砌结构主要由最大拉应力控制，而非最大压力应力。
4）钢拱架受力对比分析
不同开挖工艺下钢拱架轴力云图如图5.3.14 所示。
图5.3.14 不同开挖进尺下钢拱架轴力云图（单位：kN）
从不同开挖工艺下钢拱架轴力云图可以看出，钢拱架垂直部分下端受压，上端受拉，水平部分受压。提取钢拱架轴力最大值，见表5.3.6。
表5.3.6 不同开挖进尺下钢拱架轴力表
从表5.3.6 可以看出，随掘进尺寸的增大，钢拱架轴向最大拉力和压力呈增大趋势，但其值均较小，远小于钢拱架可承受的最大拉力和压力，因此当开挖进尺为 0.5 m，2.0 m 和4.0 m 时，钢拱架均是安全的。
不同开挖进尺下钢拱架剪力云图如图5.3.15 所示。
图5.3.15 不同开挖进尺下钢拱架剪力云图（单位：kN）
从不同开挖工艺下钢拱架剪力云图可以看出，钢拱架剪力最大位置出现在横支撑和竖支撑结点处，提取钢拱架剪力最大值，见表5.3.7。
表5.3.7 不同开挖进尺下钢拱架最大剪力
从表5.3.7 可以看出，随掘进尺寸增加，钢拱架最大剪力亦增加，但总的来说，其值均较小，远小于钢拱架的抗剪强度，说明当开挖进尺为0.5 m，2.0 m 和4.0 m 时，钢拱架均是安全的。
5）锚杆受力对比分析
不同开挖工艺下锚杆轴力云图如图5.3.16 所示。
图5.3.16 不同开挖进尺下锚杆轴力云图（单位：kN）
提取锚杆轴向最大拉力和压力，见表5.3.8。
表5.3.8 不同开挖进尺下锚杆轴力
从表中可以看出，随掘进尺寸的增加，锚杆轴向最大拉力和压力逐渐增大，且开挖尺寸从0.5 m 到2.0 m，轴向最大拉力的增幅与开挖进尺从2.0 m 到4.0 m 时基本一致，而轴向最大压力增幅相差较大。另外可以看出，当开挖进尺为2.0 m 和4.0 m 时，锚杆轴向拉应力和压应力均较大，安全起见，建议开挖进尺选择0.5 m。
不同开挖进尺下锚杆剪力云图如图5.3.17 所示。
图5.3.17 不同开挖进尺下锚杆剪力云图（单位：kN）
提取锚杆最大剪力，见表5.3.9。
表5.3.9 不同开挖进尺下锚杆最大剪力
从表中可以看出，随开挖尺寸的增加，最大正剪应力逐渐增加，负剪应力先增后减，但开挖进尺为2.0 和4.0 m 时，剪应力值均较大，建议选取0.5 m 为最佳掘进尺寸。
2.不同衬砌厚度
隧道开挖过程中支护结构起着极重要的作用，衬砌及支护的施作时机、支护间距等都对围岩的稳定性起到决定性作用。本节针对衬砌、钢拱架、锚杆支护体系，对不同衬砌厚度、不同钢拱架支护间距、不同锚杆支护间距下围岩变形和支护结构受力进行了对比分析，提出了一套安全、经济、有效的支护体系。
不同衬砌厚度工况设置如表5.3.10 所示。
表5.3.10 不同衬砌厚度工况设置
1）地表沉降对比分析
不同衬砌厚度下地表沉降云图如图5.2.18 所示，地表沉降对比曲线如图5.3.19所示。
图5.3.18 不同衬砌厚度下地表沉降云图（单位：mm）
图5.3.19 不同衬砌厚度地表沉降对比曲线
从图中可以看出，随衬砌厚度的增加，地表沉降有减小趋势，但总体来说，效果并不明显。因此，通过增加衬砌厚度来减小地表沉降的做法并不可取，从经济方面考虑，建议在安全的基础上尽量选取较小的厚度。
2）侧壁水平收敛分析
不同衬砌厚度下侧壁水平收敛云图如图5.3.20 所示，对比曲线如图5.3.21 所示。
图5.3.20 不同衬砌厚度下侧壁水平收敛云图（单位：mm）
图5.3.21 不同衬砌厚度侧壁水平收敛对比曲线
从图5.3.21 可以看出，侧壁水平位移最大值出现在侧壁中点偏下位置处。随衬砌厚度的增加，侧壁水平收敛逐渐减小，但效果也不明显。因此，通过增加衬砌厚度来减小侧壁水平位移的做法也不可取。
3）衬砌最大主应力分析
不同衬砌厚度下衬砌最大主应力云图如图5.3.22 所示。
图5.3.22 不同衬砌厚度下衬砌最大主应力云图（单位：kPa）
提取衬砌最大拉应力和压应力值，如表5.3.11 所示。
表5.3.11 衬砌结构最大拉应力和最大压应力
从表5.3.11 可以看出，随衬砌厚度的增加，衬砌结构最大拉应力逐渐减小，而最大压应力逐渐增加，最大拉应力远大于最大压应力，说明衬砌结构主要由拉应力控制。
4）钢拱架轴力和剪力对比分析
不同衬砌厚度下钢拱架轴力云图如图5.3.23 所示。
图5.3.23 不同衬砌厚度下钢拱架轴力云图（单位：kN）
提取钢拱架轴向最大拉力和压力，见表5.3.12 所示。
表5.3.12 不同衬砌厚度下钢拱架轴向最大拉力和压力
从表5.3.12 可以看出，随掘进尺寸的增大，钢拱架轴向最大拉力和压力呈减小趋势，但其值均较小且相差较小，说明衬砌厚度对钢拱架轴力影响较小。
不同衬砌厚度下钢拱架剪力云图如图5.3.24 所示。
图5.3.24 不同衬砌厚度下钢拱架剪力云图（单位：kN）
提取钢拱架轴向最大剪力，见表5.3.13 所示。
表5.3.13 不同衬砌厚度下钢拱架最大剪力
从表5.3.13 可以看出，随衬砌厚度的增加，钢拱架最大剪力减小，但减幅极小，说明衬砌厚度对钢拱架最大剪力的影响不大。
5）锚杆轴力和剪力对比分析
不同衬砌厚度下锚杆轴力云图如图5.3.25 所示。
图5.3.25 不同衬砌厚度下锚杆轴力云图（单位：kN）
提取锚杆轴向最大拉力和压力，见表5.3.14。
表5.3.14 不同衬砌厚度下锚杆最大轴力(www.xing528.com)
从表5.3.14 可以看出，随衬砌厚度的增加，锚杆轴向最大拉力和压力逐渐减小，说明衬砌厚度对锚杆轴向受力有较大影响。
不同衬砌厚度下锚杆剪力云图如图5.3.26 所示。
图5.3.26 不同衬砌厚度下锚杆剪力云图（单位：kN）
提取锚杆最大剪力，见表5.3.15。
表5.3.15 不同衬砌厚度下锚杆最大剪力
从表5.3.15 可以看出，随衬砌厚度的增加，锚杆轴向最大剪力逐渐减小，说明衬砌厚度对锚杆剪力影响较大。
3.不同钢拱架间距
不同钢拱架间距设置如表5.3.16 所示。
表5.3.16 不同钢拱架间距工况设置
1）地表沉降对比分析
不同钢拱架间距下地表沉降云图如图5.3.27 所示，对比曲线如图5.3.28 所示。
图5.3.27 不同钢拱架间距下地表沉降云图（单位：mm）
图5.3.28 不同钢拱架间距地表沉降对比曲线
从上图可以看出，随着钢拱架间距的增大，地表沉降值逐渐增大，但增幅不大，说明钢拱架对地表沉降有减缓作用，在地面重点建筑物较多，对地表沉降要求严格时可通过增加钢拱架间距的方法降低地表沉降。
2）侧壁水平收敛分析
不同钢拱架间距下侧壁水平收敛云图如图5.3.29 所示，对比曲线如图5.3.30 所示。
图5.3.29 不同钢拱架间距下侧壁水平收敛云图（单位：mm）
图5.3.30 不同钢拱架间距下侧壁水平收敛对比曲线
从上图可以看出，随钢拱架间距的增加，水平收敛逐渐减小，且钢拱架间距从4 m加到2 m 时，水平位移减小量与钢拱架间距从2 m 加到1 m 时相差不大，说明钢拱架间距对侧壁水平收敛有较大影响。
3）衬砌最大主应力分析
不同钢拱架间距下衬砌最大主应力云图如图5.3.31 所示。
图5.3.31 不同钢拱架间距下衬砌最大主应力云图（单位：kPa）
提取衬砌最大拉应力和压应力值，如表5.3.17 所示。
表5.3.17 不同钢拱架间距下衬砌结构最大拉应力和最大压应力
从表5.3.17 可以看出随钢拱架间距的增加，衬砌结构最大拉应力和压应力逐渐增加，最大拉应力远大于最大压应力，说明衬砌结构主要由拉应力控制。
4）钢拱架轴力和剪力对比分析
不同钢拱架间距下钢拱架轴力云图如图5.3.32 所示。
图5.3.32 不同钢拱架间距下钢拱架轴力云图（单位：kN）
提取钢拱架轴向最大拉力和压力，见表5.5.18 所示。
表5.3.18 不同钢拱架间距下钢拱架轴向最大拉力和压力
从表5.3.18 可以看出，随钢拱架间距的增大，钢拱架轴向最大拉力和压力呈增大趋势，但其值均较小且相差较小，说明钢拱架间距对钢拱架轴力本身的影响较小。
不同钢拱架间距下钢拱架剪力云图如图5.3.33 所示。
图5.3.33 不同钢拱架间距下钢拱架剪力云图（单位：kN）
提取钢拱架轴向最大剪力，见表5.3.19 所示。
表5.3.19 不同钢拱架间距下钢拱架最大剪力
从表5.3.19 可以看出，随钢拱架间距的增加，钢拱架最大剪力增加，但增幅极小，说明钢拱架间距对钢拱架最大剪力的影响不大。
5）锚杆轴力和剪力对比分析
不同钢拱架间距下锚杆轴力云图如图5.3.34 所示。
图5.3.34 不同钢拱架间距下锚杆轴力云图（单位：kN）
提取锚杆轴向最大拉力和压力，见表5.3.20。
表5.3.20 不同钢拱架间距下锚杆最大轴力
从表5.3.20 可以看出随钢拱架间距的增加，锚杆轴向最大拉力和压力逐渐增加，增幅相当，说明钢拱架间距对锚杆轴向受力有一定影响。
不同钢拱架间距下锚杆剪力云图如图5.3.35 所示。
图5.3.35 不同钢拱架间距下锚杆剪力云图（单位：kN）
提取锚杆最大剪力见表5.3.21。
表5.3.21 不同钢拱架间距下锚杆最大剪力
从表5.3.21 可以看出随钢拱架间距的增加，锚杆剪力逐渐增大，增大幅度相差不大，说明钢拱架间距对锚杆剪力影响较大。
4.不同锚杆间距
不同锚杆间距工况设置如表5.3.22 所示。
表5.3.22 不同锚杆间距工况设置
不同锚杆间距下地表沉降云图如图5.3.26 所示，对比曲线如图5.3.37 所示。
图5.3.36 不同锚杆间距下地表沉降云图（单位：mm）
图5.3.37 不同锚杆间距下地表沉降对比曲线
从图5.3.37 可已看出地表沉降随锚杆间距的加密逐渐降低，在拱顶附近表现得尤为突出。另外，锚杆间距从2 m 增加到1 m 时，地表沉降减小的量与锚杆间距从4 m增加到2 m 相差不大，说明加密锚杆在一定程度上可以增加围岩的稳定性。
不同锚杆间距下侧壁水平收敛云图如图5.3.38 所示，对比曲线如图5.3.39 所示。
图5.3.38 不同锚杆间距下侧壁水平收敛云图（单位：mm）
图5.3.39 不同锚杆间距下侧壁水平收敛对比曲线
从上图可以看出，侧壁水平位移最大值出现在侧壁中点偏下的位置，且随锚杆间距的加密，明显减小，说明加密锚杆有利于加速围岩侧壁的收敛。
不同锚杆间距下衬砌最大主应力云图如图5.3.40 所示。
图5.3.40 不同锚杆间距下衬砌最大主应力云图（单位：kPa）
提取衬砌最大拉应力和压应力值，如表5.3.23 所示。
表5.3.23 不同锚杆间距下衬砌结构最大拉应力和最大压应力
从表5.3.23 可以看出随锚杆间距的增加，衬砌结构最大拉应力和最大压应力逐渐增大，且锚杆间距从2 m 减小到1 m 时，衬砌结构最大主应力增量与锚杆间距从4 m减小到2 m 相差不大。
不同锚杆间距下钢拱架轴力云图如图5.3.41 所示。
图5.3.41 不同锚杆间距下钢拱架轴力云图（单位：kN）
提取钢拱架轴向最大拉力和压力，见表5.3.24 所示。
表5.3.24 不同锚杆间距下钢拱架轴向最大拉力和压力
从表5.3.24 可以看出，随锚杆间距的增大，钢拱架轴向最大拉力和压力呈减小趋势，说明增加锚杆间距可有效减小钢拱架轴力。
不同锚杆间距下钢拱架剪力云图如图5.3.42 所示。
图5.3.42 不同锚杆间距下钢拱架剪力云图（单位：kN）
提取钢拱架最大剪力，见表5.3.25 所示。
表5.3.25 不同锚杆间距下钢拱架最大剪力
从表5.3.25 可以看出，随锚杆间距的增加，钢拱架最大剪力明显减小，且减幅相当，说明锚杆间距对钢拱架最大剪力有较大影响。
不同锚杆间距下锚杆轴力云图如图5.3.43 所示。
图5.3.43 不同锚杆间距下锚杆轴力云图（单位：kN）
提取锚杆轴向最大拉力和压力，见表5.3.26。
表5.3.26 不同锚杆间距下锚杆最大轴力
从表5.3.26 可以看出，随锚杆间距的增加，锚杆轴向最大拉力和压力逐渐减小，说明锚杆间距对锚杆轴向受力影响明显。
不同锚杆间距下锚杆剪力云图如图5.3.44 所示。
图5.3.44 不同锚杆间距下锚杆剪力云图（单位：kN）
提取锚杆最大剪力，见表5.3.27。
表5.3.27 锚杆最大剪力
从表5.3.27 可以看出，随锚杆间距的增加，锚杆轴向最大剪力逐渐减小，说明锚杆间距对锚杆剪力影响亦较大。
综上对开挖工艺和支护参数的研究表明：掘进尺寸选择0.5 m 时，整个支护结构受力最合理；而衬砌厚度对围岩变形和支护结构受力的影响相对较小，在施工安全和经济合理的基础上，推荐衬砌厚度选择 250 mm；至于钢拱架和锚杆间距，其越密，围岩变形和支护结构受力越小，但总体来说影响并不大，若采用加密钢拱架和锚杆间距的措施，相应会给施工带来干扰，经济上也会造成浪费，推荐在考虑整个施工工艺的基础上合理考虑其间距，本书推荐钢拱架和锚杆采用1 m 的间距较为合理。因此，本书最终建议选取开挖进尺为0.5 m，衬砌厚度为250 mm，钢拱架和锚杆间距为1 m作为最佳开挖工艺和支护参数。
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