羅偉爭

(深圳市水務(wù)科技發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000)

城市河道綜合整治工程過程中常常遇到對地下隧洞存在空間位置相鄰或者交叉的情況，對于此類問題的安全評估通常會采用有限元分析軟件。目前，國際上出現(xiàn)了較多著名的有限元分析軟件，例如ABAQUS、ADINA、MCS.PATRA、MCS.MAR、ANSYS、PLAXIS、MIDAS等。這些軟件廣泛應(yīng)用于大型工程項(xiàng)目的建模，為這些項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了便利。這些軟件都具有強(qiáng)大的前期和后期處理功能，能夠進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的驗(yàn)算。綜上各分析軟件的特點(diǎn)，本次選取國內(nèi)常用的PLAXIS有限元工具在河道施工對地下隧洞安全影響的分析研究中已達(dá)成量化分析的結(jié)論的適用性。

1 方法簡介

1.1 Plaxis 2D有限元軟件

本次分析研究采用Plaxis有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。Plaxis是用于巖土工程的變形、穩(wěn)定性以及地下水滲流等問題的通用有限元系列軟件。它計(jì)算功能強(qiáng)大、運(yùn)算穩(wěn)定、界面友好。Plaxis誕生于1987年荷蘭的Delft大學(xué)，最初目的是為了在荷蘭特有的低地軟土上建造河堤，開發(fā)一個(gè)易于使用的二維有限元分析程序。經(jīng)過20多年的發(fā)展，Plaxis已經(jīng)成為能夠高效解決大多數(shù)巖土工程問題的通用有限元系列軟件。Plaxis的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：基礎(chǔ)工程、地質(zhì)工程、地下工程、隧道工程、水利工程、近海工程、采礦工程等。

1.2 分析要點(diǎn)

采用Plaxis有限元軟件過程主要包括選取典型案例，確定分析重要要素、分析指標(biāo)、范圍及邊界條件，建立案例數(shù)字模型及運(yùn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)結(jié)果，形成分析結(jié)論。其中河道建設(shè)項(xiàng)目施工時(shí)地下隧洞受力及變形分析是本次分析的重要因素。

2 分析實(shí)例

選取前海深港合作區(qū)雙界河水廊道工程作為分析實(shí)例。其中河道整治對象為雙界河水廊道，其干流全長5.36km，通過河道防洪工程、水質(zhì)保障與生態(tài)景觀三大工程的實(shí)施實(shí)現(xiàn)防洪、水質(zhì)及生態(tài)景觀目標(biāo)。根據(jù)地鐵設(shè)計(jì)資料，已建地鐵1號線、5號線、前海車輛段左右出入線、在建11號線與本工程水廊道存在垂直交叉以及側(cè)向并行關(guān)系。

垂直交叉：地鐵與水廊道垂直交叉區(qū)段，由于主槽較現(xiàn)狀雙界河河槽南偏約35m，引起地鐵隧洞上方設(shè)計(jì)主槽區(qū)域土方開挖(開挖深度約3～6m)，現(xiàn)狀河槽區(qū)域土方堆填(堆填高度約2～3m)，如圖1所示。

側(cè)向并行：前海車輛段右出入線與設(shè)計(jì)水廊道主槽并行，最近距離在20m范圍之內(nèi)，地鐵隧洞結(jié)構(gòu)頂高程為0.00m，高于旁邊設(shè)計(jì)主槽-2.0m槽底高程，涉及隧洞上方及一側(cè)土體的大范圍開挖，如圖2所示。

圖1 地鐵與水廊道垂直交叉段河道斷面

圖2 地鐵與水廊道側(cè)向并行段河道斷面示意圖

由此，需要進(jìn)行河道施工對地下隧洞安全影響評估，以確定是否需要增加地下隧洞的保護(hù)措施。

2.1 計(jì)算條件

計(jì)算各條交叉地鐵線路在上方土方開挖及堆填工況下的隧洞變形量。模擬采用彈塑性摩爾-庫倫模型，可考慮剛度隨深度變化的特點(diǎn)，但不能考慮剛度與應(yīng)力路徑相關(guān)的特征，計(jì)算主要包括4個(gè)參數(shù):土體彈性模量Er、泊松比ν、有效黏聚力c、有效內(nèi)摩擦角φ，各參數(shù)取值詳見表1—2。

2.2 計(jì)算分析

計(jì)算分為隧洞上方卸土和隧洞上方堆載兩種工況。隧洞上方卸土具體計(jì)算分析情況如圖3—6所示。隧洞上方堆載具體計(jì)算分析情況如圖7—9所示。

2.3 成果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述計(jì)算變形模擬成果，本設(shè)計(jì)利用Plaxis 2D V9.0巖土有限元軟件，結(jié)合地質(zhì)周邊地質(zhì)鉆孔資料，模擬現(xiàn)場壓板試驗(yàn)過程，得到如圖10所示的壓縮及回彈曲線。

表1 有限元模擬各土層參數(shù)取值表

表2 地鐵隧洞襯砌特性表

圖3 地鐵1號線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：27.15mm)

圖4 地鐵5號線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：30.13mm)

圖5 車輛段左出入線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：32.59mm)

圖6 車輛段右出入線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：23.28mm)

圖7 地鐵1號線堆載段隧洞位移云圖(隧洞最大沉降：5.92mm)

圖8 地鐵5號線堆載段隧洞位移云圖(隧洞最大沉降：6.71mm)

圖9 車輛段左出入線堆載段隧洞位移云圖(隧洞最大沉降：7.65mm)

圖10 模擬現(xiàn)場壓板試驗(yàn)p-s曲線

3 結(jié)語

經(jīng)過以上分析及實(shí)際案例的結(jié)合運(yùn)用，得出Plaxis軟件在經(jīng)過確定分析重要要素、分析指標(biāo)、范圍及邊界條件，建立案例數(shù)字模型及運(yùn)行計(jì)算、統(tǒng)計(jì)結(jié)果，形成分析結(jié)論的過程可以對涉水工程受力及變形進(jìn)行詳細(xì)、貼合度較高的模擬分析，可以得出對分析評價(jià)工作指標(biāo)量化的評價(jià)結(jié)論。

因此，Plaxis軟件可在河道施工對地下隧洞安全影響的分析中結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場情況積極采用。