吳運(yùn)忠

（九江市公路發(fā)展中心永修分中心，江西九江 330300）

0 引言

近年來(lái)，城市化進(jìn)程不斷加快，在進(jìn)行建筑物的建設(shè)過(guò)程中常常會(huì)遇到鄰近的既有建筑物，新建筑物的建設(shè)對(duì)既有建筑物的安全影響重大，尤其是新建筑基坑開(kāi)挖階段。根據(jù)學(xué)者們研究表明基坑工程在開(kāi)挖時(shí)相當(dāng)于對(duì)土體卸載，必然會(huì)引起坑底的土體隆起，基坑四周的地層也會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)變形，進(jìn)而有可能導(dǎo)致鄰近的地鐵隧道發(fā)生變形。

例如，左殿軍等[1]采用數(shù)值模擬的方法研究深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道影響，研究結(jié)果表明地表的沉降、隧道襯砌的位移隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而增大；張治國(guó)等[2]對(duì)在軟土隧道附近進(jìn)行基坑開(kāi)挖，研究基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響，研究提出在鄰近軟土隧道進(jìn)行基坑開(kāi)挖的保護(hù)措施；應(yīng)宏偉等[3]根據(jù)實(shí)際的工程案例對(duì)深基坑中采用隔斷墻保護(hù)的鄰近建筑物進(jìn)行研究分析，研究結(jié)果表明隔斷墻能夠明顯降低坑外地表的沉降，減小鄰近建筑物的橫向角變量，減小因基坑開(kāi)挖引起建筑物的損傷。魏少偉、胡琦、孫鈺杰等[4-6]利用三維分析軟件對(duì)基坑開(kāi)挖時(shí)坑底對(duì)已建隧道的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明基坑的空間效應(yīng)對(duì)隧道橫斷面的影響有著明顯的影響。現(xiàn)有的研究已取得一定的成果，但對(duì)隧道埋深、基坑開(kāi)挖深度及基坑與隧道的距離等不同影響因素的分析相對(duì)較少。為此，在現(xiàn)有的研究成果基礎(chǔ)上，利用Plaxis 3D 軟件建立三維模型分析不同的隧道埋深、不同的基坑開(kāi)挖深度及隧道與基坑不同水平距離情況下基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響。

1 基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道影響的有限元模擬

1.1 有限元軟件介紹

此次模擬采用的有限元軟件是由荷蘭研究學(xué)者開(kāi)發(fā)的Plaxis 3D 軟件，該軟件具有應(yīng)用能力強(qiáng)、建模簡(jiǎn)單、運(yùn)算快及自動(dòng)劃分網(wǎng)格等強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能對(duì)多個(gè)相介質(zhì)土進(jìn)行模擬，處理土體的非線性隨時(shí)間的變形情況。Plaxis 3D 能夠模擬土體、墻、梁、板等各種元素，還能處理各種元素直徑的接觸面問(wèn)題，此次利用該軟件進(jìn)行小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)（HS-small）模型的建立，采用該模型是因?yàn)楦鶕?jù)相關(guān)的研究表明，該模型是更適合于基坑變形分析的本構(gòu)模型。該模型是基于三軸排水試驗(yàn)的研究成果而建立的，它能夠充分地考慮土體在小應(yīng)變時(shí)的剛度非線性變化，并且能夠考慮材料的剪切硬化與壓縮硬化問(wèn)題，還能對(duì)土體在小應(yīng)變時(shí)的土體特性進(jìn)行考慮。

1.2 模型的建立

此次的隧道直徑大小為6m，模型的尺寸為長(zhǎng)75cm×寬57cm×高60cm，具體的模型見(jiàn)圖1，模型中采用四面體單元進(jìn)行模擬，模型中的邊界設(shè)置中對(duì)頂面設(shè)置為自由，側(cè)面添加水平位移的約束，底面添加固定的約束，在Plaxis 3D 軟件中提供了兩種三角形土體單元，分別是6 節(jié)點(diǎn)三角形土體單元和15 節(jié)點(diǎn)三角形土體單元節(jié)點(diǎn)，兩種形式的土體單元節(jié)點(diǎn)均能用來(lái)模擬模型中的土層及塊體，并且結(jié)構(gòu)類(lèi)型的單元能夠與土體單元類(lèi)型自動(dòng)匹配，相較于6 節(jié)點(diǎn)三角形土體單元而言，15 節(jié)點(diǎn)三角形土體單元的計(jì)算精度更高，通過(guò)模擬能得到高精度計(jì)算結(jié)果，其位移計(jì)算的結(jié)果集中在節(jié)點(diǎn)中，而應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算則是在高斯積分點(diǎn)上，可快速通過(guò)選擇節(jié)點(diǎn)得到關(guān)于荷載與位移的關(guān)系曲線圖，還能通過(guò)快速選擇應(yīng)力點(diǎn)得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，此次模型中的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1 及表2。

圖1 隧道與基坑的模型圖

表1 模型中的參數(shù)設(shè)置

表2 模型中的參數(shù)設(shè)置

1.3 模擬的方案

本文為模擬基坑開(kāi)挖時(shí)在不同隧道埋深、不同基坑開(kāi)挖深度及隧道與基坑的不同水平距離情況下對(duì)既有隧道的影響，分別設(shè)置九種不同的工況進(jìn)行模擬；此次的模擬開(kāi)挖過(guò)程是一次性的，在進(jìn)行模擬開(kāi)挖時(shí)，先將巖土體假定為彈塑性體，即認(rèn)為巖土體是均質(zhì)的且各向同性，然后進(jìn)行初始應(yīng)力計(jì)算，最后進(jìn)行基坑的開(kāi)挖模擬，具體的模擬工況如表3 所示。

表3 模擬的工況

表3 中工況1、2、3 用于模擬隧道不同埋深情況下，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道產(chǎn)生的影響，工況4、5、6 用于模擬隧道與圍護(hù)墻不同距離情況下，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道產(chǎn)生的影響，工況7、8、9 用于模擬基坑開(kāi)挖深度不同時(shí)對(duì)隧道產(chǎn)生的影響。

2 基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道影響模擬結(jié)果分析

本文主要分析在不同工況下的基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的上浮及對(duì)隧道水平位移的影響。

2.1 不同的隧道埋深工況下

在不同隧道埋深工況下，根據(jù)模擬的應(yīng)力結(jié)果通過(guò)作圖分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道的上浮變化及水平位移變化，具體的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同隧道埋深工況

從圖2 中的（a）（b）中可以看出，當(dāng)隧道距圍護(hù)墻的距離及基坑的開(kāi)挖深度一定時(shí)，隨著隧道的埋深增大，因基坑的開(kāi)挖而導(dǎo)致的隧道上浮及隧道的水平位移逐漸減小。特別當(dāng)隧道的埋深從10m 變到13m 時(shí)，隧道的埋深對(duì)隧道的上浮影響非常明顯，隧道上浮從0.026%降到0.021%；從埋深13m 到埋深16m 時(shí)的變化趨勢(shì)較小，對(duì)于水平的位移變化來(lái)說(shuō)，隨著隧道埋深的增加其變化較為均勻，說(shuō)明隧道埋深的增大對(duì)隧道的水平位移影響較小。

2.2 隧道與圍護(hù)墻的不同距離

在隧道與圍護(hù)墻的不同距離工況下，根據(jù)模擬的應(yīng)力結(jié)果通過(guò)作圖分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道的上浮變化及水平位移變化，具體的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 隧道與圍護(hù)墻不同距離工況

從圖3 中的（a）（b）中可以看出，當(dāng)隧道的埋深及基坑的開(kāi)挖深度一定時(shí)，隨著隧道與圍護(hù)墻的距離增大，因基坑的開(kāi)挖而導(dǎo)致的隧道上浮及隧道的水平位移逐漸減小，當(dāng)隧道距離圍護(hù)墻的距離為3m 時(shí)的隧道上浮約為0.023%，水平位移為0.016%，當(dāng)隧道距離圍護(hù)墻的距離為6m 時(shí)的隧道上浮約為0.02%，水平位移為0.016%，當(dāng)隧道距離圍護(hù)墻的距離為9m 時(shí)的隧道上浮約為0.016%，水平位移為0.006%，整體上其變化的趨勢(shì)較為穩(wěn)定，說(shuō)明隧道與圍護(hù)墻的距離對(duì)隧道的水平位移及隧道的上浮影響均較小。

2.3 不同的基坑開(kāi)挖深度

在不同的基坑開(kāi)挖深度工況下，根據(jù)模擬的應(yīng)力結(jié)果通過(guò)作圖分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道的上浮變化及水平位移變化，具體結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同基坑開(kāi)挖深度工況

從圖4 中的（a）（b）中可以看出，當(dāng)隧道與圍護(hù)墻的距離及隧道的埋深一定時(shí)，隨著隧道開(kāi)挖深度的增加，因基坑的開(kāi)挖而導(dǎo)致的隧道上浮及隧道的水平位移逐漸增大；當(dāng)隧道與圍護(hù)墻的距離為6m 時(shí)的隧道上浮約為0.022%，水平位移為0.0115%；當(dāng)隧道與圍護(hù)墻的距離為9m 時(shí)的隧道上浮約為0.0235%，水平位移為0.016%；當(dāng)隧道與圍護(hù)墻的距離為12m 時(shí)的隧道上浮約為0.025%，水平位移為0.031%。發(fā)現(xiàn)隧道的上浮變化較為平穩(wěn)，而隧道開(kāi)挖深度的加大對(duì)既有隧道的水平位移影響較大。特別是當(dāng)開(kāi)挖深度從6m 變?yōu)?m 時(shí)，說(shuō)明隧道的開(kāi)挖深度對(duì)隧道的水平位移影響較大，對(duì)隧道的上浮影響較小。

3 結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明：隧道的埋深越深對(duì)鄰近隧道的水平位移及隧道上浮影響越小，其中隧道的埋深對(duì)隧道上浮的影響較大；隧道與基坑圍護(hù)墻距離越大對(duì)鄰近隧道的水平位移及隧道上浮影響越??；基坑的開(kāi)挖深度越深對(duì)鄰近隧道的水平位移及隧道上浮影響越大，其中基坑的開(kāi)挖深度對(duì)隧道水平位移的影響較大。因此，在工程允許的情況下，應(yīng)盡可能控制基坑的開(kāi)挖深度并加大隧道與基坑圍護(hù)墻的距離。