葉建華

摘要：本文以深基坑開挖對(duì)其鄰近隧道的影響為研究?jī)?nèi)容，通過三維有限元分析，在定性的基礎(chǔ)上研究了不同情況下深基坑開挖對(duì)隧道的影響，為優(yōu)化設(shè)計(jì)和施工提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；數(shù)值模擬；地鐵隧道

1.引言

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，大城市內(nèi)部可供開發(fā)用地越來越接近飽和，地鐵周邊區(qū)域的用地不可避免的逐漸被使用，故現(xiàn)階段越來越多的深基坑工程位于運(yùn)行的地鐵隧道區(qū)間附近。由于近距離的深基坑開挖卸荷會(huì)導(dǎo)致隧道周邊的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，而地鐵隧道的變形控制要求又極其嚴(yán)格，因此，在大力發(fā)展城市地下空間建設(shè)和利用的今天，研究基坑開挖卸荷對(duì)地鐵隧道的影響，確保隧道在運(yùn)行過程中的使用安全，具有相當(dāng)?shù)木o迫性和適用性。由于施工方法的多樣性和工程的復(fù)雜性，目前還沒有提出較為精確的理論解析解，絕大多數(shù)工程（緊鄰地鐵隧道附近）在建設(shè)前基本上都采用數(shù)值模擬的方法來分析深基坑開挖過程中對(duì)地鐵隧道影響，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文運(yùn)用三維有限元分析軟件FLAC3D從空間上分析討論不同工況情況下深基坑開挖對(duì)地鐵隧道變形及內(nèi)力的影響，該分析方法和結(jié)果可為類似工程提供一定借鑒。

2.三維有限單元結(jié)構(gòu)模型

為了模擬基坑開挖卸荷對(duì)地鐵隧道的影響，可以做出一些假設(shè)：（1）假設(shè)開挖巖土層為理想勻質(zhì)單一巖土體；（2）忽略基坑邊地面超載對(duì)地鐵隧道的影響；（3）忽略其端部效應(yīng)；（4）隧道位移與土體位移相容；（5）為減小計(jì)算量，將盾構(gòu)隧道方向與基坑縱向近似為正交。

有限單元結(jié)構(gòu)模型不可能選取無限大的空間，因此適當(dāng)選取合理的計(jì)算區(qū)域和邊界條件尤為重要。由于基坑開挖的影響范圍主要取決于基坑開挖的平面尺寸、形狀、開挖深度及工程地質(zhì)條件等因素。故本次數(shù)值模擬分析過程中，假定基坑開挖長(zhǎng)約30m，寬約30m，最大開挖深度約8m。一般認(rèn)為：基坑開挖影響范圍水平、豎向方向?yàn)?倍～3倍基坑開挖深度范圍，考慮到隧道存在前后左右的對(duì)稱性，本文所選的有限單元結(jié)構(gòu)模型取長(zhǎng)（X方向）90m，寬（Y方向）90m，深（Z方向）40m，坐標(biāo)O點(diǎn)代表隧道最低點(diǎn)。隧道與開挖基坑的相對(duì)位置關(guān)系見圖1與圖2，隧道埋深約為 20m，隧道直徑為6m，位于開挖基坑的正下方。結(jié)構(gòu)模型的邊界條件為：前后左右水平位移及豎向位移均為0，隧道及基坑等位移邊界為自由邊界，具體詳見圖1所示。

建模時(shí)，有限單元采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。對(duì)于有限單元模型，有限單元?jiǎng)澐志W(wǎng)絡(luò)越多越密，計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度越慢，故為了提高運(yùn)行速度，單元?jiǎng)澐衷诒ＷC相關(guān)精度的條件下盡量減少巖土體的單元網(wǎng)格剖分，整個(gè)模型的單元網(wǎng)格劃分如圖3所示。

3.巖土體參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

在巖土工程數(shù)值模擬分析過程中，通常選用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則（M-C）或德魯克普拉準(zhǔn)則（D-P）作為巖土土體的計(jì)算屈服準(zhǔn)則，故本文選用D-P準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)值模擬分析。該準(zhǔn)則假定巖土體為理想彈塑性材料，在主應(yīng)力空間的屈服面為光滑圓錐面，在π平面上為圓形，不存在尖頂處的奇異問題，其表達(dá)式為

本文的有限元模型主要由土體和隧道兩種材料。

（1）土層參數(shù)的選取。以廣州地區(qū)某工程場(chǎng)地的軟土層為參數(shù)代表，取值如表1所示。

（2）結(jié)構(gòu)參數(shù)。隧道襯砌的材料參數(shù)按混凝土選取，其參數(shù)如表2所示。

4.三維數(shù)值模擬結(jié)果及分析

基坑開挖過程中分為3個(gè)工況，各工況順序如下：

工況一：基坑開挖至地表面下3m隧道的變形情況；

工況二：開挖至地表面下6m隧道的變形情況；

工況三：開挖至地表面下8m隧道的變形情況。

采用FLAC3D軟件對(duì)圖2所示的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模擬，分析得到以下結(jié)果：①由圖3可知，基坑開挖3m后，由于基坑開挖卸荷，隧道上方土體隆起效應(yīng)較（下轉(zhuǎn)104頁(yè)）（上接100頁(yè)）為明顯，大致趨勢(shì)按U型分布，隧道最大隆起位移值為10mm，隧道兩側(cè)位移稍微變化，其值在6mm左右。②由圖4可知，基坑開挖6m后，隧道隆起位移值達(dá)到20mm，隧道兩側(cè)位移變化量值為15mm，其中基坑開挖的最低處位移隆起達(dá)到30mm，其最大值在隧道的正上方。③由圖5可知，基坑開挖8m后，隧道最大隆起位移值為30mm，隧道兩側(cè)位移隆起量值在25mm左右，其中基坑開挖的最低處位移隆起達(dá)到40mm，其最大值在隧道的正上方。

由計(jì)算結(jié)果，可以得到隧道隆起位移與隧道基坑開挖深度的變化趨勢(shì)圖，如圖6和圖7所示：

由圖6和圖7可知，隨著基坑開挖的深度的不斷變大，隧道隆起效應(yīng)越突出，其中在地鐵隧道頂部位移變化比兩側(cè)變化明顯，主要原因是土體開挖卸荷，改變了原有的應(yīng)力情況。

5.結(jié)論

本文運(yùn)用FLAC3D有限元軟件，通過選取廣州地區(qū)某工程場(chǎng)地的巖土計(jì)算參數(shù)，研究了不同工況下基坑開挖卸荷過程對(duì)隧道變形的影響，通過數(shù)值模擬分析可得到如下結(jié)論：endprint

（1）基坑開挖卸荷對(duì)隧道影響較大。當(dāng)隧道位于基坑正下方時(shí)，基坑開挖卸載對(duì)其下部的地鐵隧道有明顯影響。主要原因如下：基坑開挖過程中，由于卸載使得下部土體產(chǎn)生回彈效應(yīng)，土體應(yīng)力得到釋放，從而帶動(dòng)土體中的隧道產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。隧道位于開挖基坑的正下方時(shí)，由于對(duì)稱性原理，隧道位移變化主要表現(xiàn)為豎向上抬，隧道頂部的變形比兩側(cè)位移變化明顯。

（2）當(dāng)基坑開挖到一定的深度時(shí)，隧道隆起位移值可能會(huì)超過規(guī)范容許最大變化值，故基坑開挖過程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)地鐵隧道進(jìn)行相關(guān)監(jiān)測(cè)，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來實(shí)時(shí)掌握基坑開挖卸荷對(duì)隧道的影響程度，必要時(shí)應(yīng)采取一定的保護(hù)加固措施對(duì)地鐵隧道進(jìn)行保護(hù)或停止開挖基坑并及時(shí)回填基坑，預(yù)防和保護(hù)隧道的正常安全使用。

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