基坑开挖对紧邻地铁隧道的三维数值模拟分析.pdf

作 者 简 介：张 鹏（），男，江 西 赣 州 人，硕 士 研 究 生，工 程 师，主 要 从 事 路 基 路 面 工 程 工 作。基坑开挖对紧邻地铁隧道的三维数值模拟分析张鹏，黄伟，褚 云 鹏，（江 西 省 交 通 投 资 集 团 有 限 责 任 公 司，江 西 南 昌）（江 西 省 交 通 科 学 研 究 院 有 限 公 司，江 西 南 昌）（南 昌 市 交 通 运 输 安 全 应 急 保 障 工 程 技 术 研 究 中 心，江 西 南 昌）摘要：文 章 以 国 内 某 基 坑 开 挖 为 背 景，通 过 使 用 软 件 对 基 坑 与 地 铁 隧 道 建 立 三 维有 限 元 模 型，结 合 场 地 所 处 的 工 程 地 质 及 水 文 地 质 条 件，模 拟 分 析 基 坑 开 挖 前 后，地 铁 隧 道 结 构 内力 和 位 移 变 化。分 析 发 现 地 铁 隧 道 区 间 中 部 竖 向 位 移 最 大，为，水 平 位 移 达；盾 构隧 道 最 大 弯 矩 增 大（），最 大 轴 力 减 少，地 铁 隧 道 的 水 平、竖 向 变 形 与 隧 道 结 构内 力 增 量 均 处 于 控 制 标 准 内，基 坑 开 挖 施 工 引 起 的 地 铁 结 构 变 形 基 本 可 控，研 究 结 论 可 为 类 似 工程 提 供 一 定 的 理 论 指 导。关 键 词：基 坑；地 铁 隧 道；内 力；位 移前言地 铁 隧 道 规 划 往 往 经 过 城 市 繁 华 地 段，地 面建 筑 的 修 建、基 坑 的 开 挖 给 地 铁 线 路 安 全 运 营 带 来不 利 影 响，为 保 障 地 铁 隧 道 运 营 安 全，科 学 评 估 开挖 前 后 地 铁 隧 道 结 构 的 变 形 与 受 力 变 化，本 文 依 托国 内 某 大 型 基 坑 项 目，采 用 软 件 建 立三 维 模 型，分 析 基 坑 开 挖 前 后，紧 邻 地 铁 隧 道 结 构内 力 和 位 移 变 化 特 征，为 地 铁 的 安 全 营 运 提 供 一定 的 依 据，也 为 相 关 支 护 设 计 提 供 一 定 的 理 论指 导。工 程 概 况依 托 项 目 净 用 地 面 积 为（合 亩），周 边 人 口 居 住 密 度 高，流 动 人 口 多。地 铁 隧 道埋 深 约。区 间 设 置 两 处 联 络 通 道，均 采用 矿 山 法 施 工，隧 道 结 构 内 径，外 径，采 用厚钢 筋 混 凝 土 衬 砌 管 片。本 区 间 地 质条 件 较 好，区 间 隧 道 全 部 在 中 风 化 泥 质 粉 砂 岩 中穿 越。图地 铁 隧 道 纵 面 图相 互 关 系（）平 面 关 系开 挖 基 坑 与 地 铁 站 直 线 距 离 约，项 目 南 侧临 近 地 铁 侧 施 工 需 要 在 既 有 基 坑 基 础 上 进 行 调 整，其 中：临 地 铁 侧（南 侧）现 状 规 划 路 由 标 高 降至，然 后 采 用 放 坡 至 坑 底，坑 底 标 高为。图基 坑 与 地 铁 隧 道 平 面 关 系 图 地 铁 盾 构 隧 道 左 右 线 钢 筋 混 凝 土 管 片 结 构，管片 外 径，管 片 厚，混 凝 土。项 目 基 坑与 地 铁 盾 构 区 间 平 行 段 长 约，基 坑 顶 至 区 间 隧道 结 构 边 净 距。（）剖 面 关 系项 目 基 坑 临 地 铁 侧 现 状 顶 标 高，基 坑 施工 前 需 挖 土 将 标 高 降 至，然 后 采 用 放 坡至 坑 底，坑 底 标 高 为。地 铁 区 间 隧 道 与 基 坑工 程 平 行 段 对 应 结 构 顶 标 高 约 ，基 坑顶 至 区 间 隧 道 顶 净 距 约 。剖 面 关 系如 图、图所 示。图节 点 部 位 剖 面 关 系 图图隧 道 上 方 土 体 卸 载 开 挖 支 护 剖 面 图工 程 地 质 条 件根 据 详 勘 报 告，拟 建 场 地 内 埋 藏 地 层 自 上 而 下依 次 如 表所 示：表地 层 分 布 一 览 表土 层岩 土 性 质 分 析 与 评 价杂 填 土层 厚 素 填 土层 厚 粉 质 黏 土层 厚 圆 砾层 厚 粉 质 黏 土层 厚 圆 砾层 厚 粉 质 黏 土层 厚 强 风 化 泥 质 粉 砂 岩厚 度 较 薄中 风 化 泥 质 粉 砂 岩层 位 较 稳 定 且 层 厚 较 厚基 坑 开 挖 数 值 模 拟 计 算 模 型计 算 采 用 软 件 建 立 基 坑 开 挖 的三 维 有 限 元 模 型，为 尽 可 能 达 到 与 实 际 相 符 的 计 算环 境，需 要 对 地 层 及 结 构 进 行 部 分 简 化 和 处 理，以适 应 计 算 理 论 和 软 件，本 次 计 算 基 本 假 定 包 括：（）初 始 应 力 只 考 虑 围 岩 的 自 重 应 力，忽 略 构造 应 力 的 影 响；（）所 有 材 料 均 为 均 质、连 续、各 项 同 性，土 体水 平 成 层 分 布；（）围 岩 按 修 正 摩 尔 库 伦 理 想 弹 塑 性 材 料考 虑。盾 构 区 间 管 片 和 顶 管 管 片 结 构 在 模 拟 时 采 用弹 性 本 构 模 拟，均 质 弹 性 材 料 的 应 力 应 变 关 系 符 合虎 克 定 律。可 用 矩 阵 表 达 为：浆 浆（）式（）中，为 刚 度 矩 阵。（）式（）中：()；()；为 弹 性 模 量；为 剪 切 模 量；为 泊 松 比。修 正 摩 尔 库 伦 模 型 是 对 摩 尔 库 伦 模 型 的改 进，由 非 线 性 弹 性 模 型 和 弹 塑 性 模 型 组 合，模 型可 以 模 拟 不 受 剪 切 破 坏 或 压 缩 屈 服 影 响 的 双 硬 化行 为。表土 层 计 算 参 数岩 土 分 层容 重 压 缩 模量 泊 松 比黏 聚 力内 摩 擦角素 填 土 粉 质 黏 土 强 风 化 泥质 粉 砂 岩 中 风 化 泥质 粉 砂 岩 表管 片 混 凝 土 结 构 参 数 表名 称重 度 泊 松 比 弹 性 模 量 数 值 模 型 长，宽，高，基 坑 模型 划 分 单 元 格 数 量 为个，节 点 数 量个。计 算 模 型 如 图图所 示：图三 维 计 算 整 体 模 型（开 挖 前）图地 铁 隧 道 结 构 模 型 图图三 维 计 算 整 体 模 型（开 挖 后）分 析 工 况 设 置地 铁 盾 构 区 间 目 前 已 施 工 完 成，本 项 目 在 既 有盾 构 区 间 顶 部 卸 载。模 拟 计 算 的 顺 序 为：初 始地 应 力，考 虑 地 层 为 原 始 应 力 状 态，地 铁 区 间 隧 道未 施 工；模 拟 地 铁 盾 构 区 间 施 工 过 程，进 行 应 力平 衡 计 算，作 为 影 响 评 估 的 初 始 状 态；模 拟 区 间上 部 分 部 卸 载对 结 构 的 影 响，评 价 对 地 铁 隧 道结 构 的 影 响。为 了 准 确 模 拟 基 坑 开 挖 对 地 铁 隧 道 结 构 的 影响，采 用 动 态 模 拟 施 工 过 程 的 计 算 方 法，模 拟 真 实的 施 工 工 况。首 先 对 基 坑 南 部 土 方 进 行 开 挖，再 对基 坑 坑 内 土 方 进 行 开 挖。其 工 况 简 述 如 下：工 况：施 工 地 铁 结 构；工 况：基 坑 坑 内 土 方 开 挖，锚 杆 支 护；工 况：基 坑 南 部 土 方 分 层 开 挖，锚 杆 支 护作 业。基 坑 施 工 对 地 铁 区 间 隧 道 结 构 三 维 计 算（）盾 构 隧 道 施 工（工 况）本 次 计 算 初 始 应 力 采 用 施 加 重 力 场 方 法 得 到，根 据 钻 孔 资 料，地 层 自 上 而 下 共 分 四 层：杂 填 土、粉质 黏 土、强 风 化 泥 质 粉 砂 岩、中 风 化 泥 质 粉 砂 岩，盾构 隧 道 施 工 后，内 力 及 初 始 地 应 力 场 如 下 所 示：图盾 构 隧 道 施 工 完 成 地 层 沉 降 云 图图盾 构 隧 道 施 工 完 成 后 轴 力 图图盾 构 隧 道 施 工 完 成 后 弯 矩 图模 拟 分 析 可 得：地 铁 盾 构 施 工 完 成 后，地 层 界 线 明显，场 地 整 体 稳 定 性 较 好，盾 构 隧 道 最 大 弯 矩 为（），最 大 轴 力 为。（）基 坑 土 体 卸 载 施 工 完 成（工 况）采 用 软 件 建 立 基 坑 开 挖 卸 载 完成 后（工 况）的 三 维 有 限 元 模 型，如 图 所 示：图基 坑 卸 载 完 成 后 周 边 土 体 竖 向 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 周 边 土 体 水 平 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 竖 向 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 水 平 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 轴 力 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 弯 矩 图分 析 可 知，项 目 卸 载 施 工（工 况）完 成 后，地 层 最 大竖 向 隆 起、沉 降，最 大 水 平 位 移；盾 构 隧 道 竖 向 位 移 为，水 平 位 移；盾 构 隧 道 最 大 弯 矩 为（），最 大 轴 力 为。基 坑 项 目 卸 载 施 工 完 成（工 况）前、后 地 铁 结构 内 力 如 下 表 所 示：表基 坑 开 挖 施 工 前、后 区 间 隧 道 内 力 对 比 表项 目地 铁 施工 完 成基 坑 开挖 完 成内 力增 量变 化率盾 构 隧 道 弯矩（）盾 构 隧 道轴 力（）地 表 竖 向位 移（）（隆 起）地 表 水 平位 移（）盾 构 隧 道 竖 向位 移（）（隆 起）盾 构 隧 道 水 平位 移（）由 表可 知，基 坑 卸 载 施 工 完 成 后，隧 道 结 构弯 矩 增 量 为，轴 力 减 小，地 表 竖 向 隆 起，水 平 位 移，隧 道 竖 向 隆 起，水 平 位 移。经 计 算，管 片 的 裂 缝 及 强 度 满足 要 求，隧 道 位 移 和 轴 力 变 化 基 本 在 允 许 范 围 内。（）基 坑 土 体 卸 载 施 工 完 成（工 况）采 用 软 件 建 立 基 坑 开 挖 卸 载 完成 后（工 况）的 三 维 有 限 元 模 型，如 图 所 示：图基 坑 卸 载 完 成 后 周 边 土 体 竖 向 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 周 边 土 体 水 平 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 竖 向 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 水 平 位 移 云 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 轴 力 图图基 坑 卸 载 完 成 后 盾 构 隧 道 弯 矩 图分 析 可 知，项 目 土 方 卸 载 完 成 后（工 况），地 层 最 大竖 向 隆 起、沉 降，最 大 隆 起 出 现 在土 方 卸 载 中 间 部 位，最 大 水 平 位 移；盾 构 隧道 竖 向 位 移 为，水 平 位 移，出 现 在 区间 隧 道 中 部，变 形 值 小 于 规 范 规 定 的 安 全 控 制 标 准值；盾 构 隧 道 最 大 弯 矩 为（），最 大 轴力 为。基 坑 项 目 土 方 卸 载 完 成（工 况）前、后 地 铁 结构 内 力 如 下 表 所 示：表基 坑 开 挖 施 工 前、后 区 间 隧 道 内 力 对 比 表项 目地 铁 施工 完 成基 坑 开挖 完 成内 力增 量变 化率盾 构 隧 道弯 矩（）盾 构 隧 道轴 力（）地 表 竖 向位 移（）（隆 起）地 表 水 平位 移（）盾 构 隧 道 竖 向位 移（）（隆 起）盾 构 隧 道 水 平位 移（）由 表可 知，基 坑 卸 载 施 工 完 成 后，隧 道 结 构弯 矩 增 量 为，轴 力 减 小，地 表 竖 向 隆 起，水 平 位 移，隧 道 竖 向 隆 起，水 平 位 移。经 计 算，管 片 的 裂 缝 及 强 度 满足 要 求，隧 道 位 移 和 轴 力 变 化 基 本 在 允 许 范 围 内。结语本 文 针 对 基 坑 工 程 开 挖 进 行 了 施 工 过 程 的 数值 模 拟 分 析，经 软 件 模 拟，得 到 了 开挖 影 响 下 临 近 地 铁 隧 道 的 水 平、竖 向 变 形 与 隧 道 结构 内 力 增 量，并 给 出 了 合 理 的 评 价，对 工 程 安 全 评价 与 支 护 设 计 有 着 一 定 的 指 导 作 用。（）基 坑 工 程 在 正 常 施 工 条 件 下 会 对 临 近 的 地铁 结 构 产 生 一 定 的 影 响，基 坑 土 方 卸 载 施 工 完 成（工 况）后，紧 邻 隧 道 结 构 弯 矩 增 量 为，轴 力 减小，地 表 竖 向 隆 起，水 平 位 移，隧道 竖 向 隆 起，水 平 位 移；基 坑 土 方卸 载 施 工 完 成（工 况）后，紧 邻 隧 道 结 构 弯 矩 增 量为，轴 力 减 小，地 表 竖 向 隆 起，水 平位 移，隧 道 竖 向 隆 起，水 平 位 移。采 取 相 应 措 施 后，地 铁 隧 道 在 所 有 工 况 下 的 位 移 量均 未 超 过 安 全 运 营 控 制 值。（）根 据 计 算 结 果，基 坑 施 工 引 起 的 盾 构 隧 道的 竖 向 与 水 平 位 移 处 于 变 形 控 制 标 准 内，说 明 基 坑开 挖 施 工 引 起 位 移 的 变 形 是 可 控 的；基 坑 开 挖 施 工后，盾 构 隧 道 轴 力、弯 矩 有 一 定 的 变 化，但 变 化 范 围有 限，变 化 后 的 数 值 小 于 结 构 的 容 许 轴 力 值，表 明施 工 期 间，盾 构 隧 道 不 会 发 生 强 度 破 坏，安 全 是 可控 的。参 考 文 献：余 跃 进基 于的 地 铁 隧 道 开 挖 对 邻 近 建 筑 物 的 变 形 影响 分 析 甘 肃 科 学 学 报，（）：于 艺 林，薛 刚，杨 雁 翔，曹 光，钟 宗?城 市 中 心 紧 邻 地 铁 软土 深 基 坑 土 方 开 挖 设 计 与 施 工 施 工 技 术，（）：张 敏，李 更 召，苏 越 等毗 邻 地 铁 深 基 坑 开 挖 对 地 铁 隧 道 的影 响 研 究 大 交 通 工 程 勘 测 与 风 险 管 控 学 术 研 讨 会 暨第 六 届 中 国 土 木 工 程 学 会 轨 道 交 通 分 会 勘 测 专 业 技 术 交 流大 会 论 文 集中 国 土 木 工 程 学 会 轨 道 交 通 分 会，中 国 交 通 运输 协 会 新 技 术 促 进 分 会：付 成 博基 于 最 大 能 量 耗 散 率 原 理 的 黄 土 弹 塑 性 本 构 模 型参 数 的 研 究 西 安：长 安 大 学，鲁 志 杰基 坑 开 挖 对 地 铁 的 影 响 分 析 佛 山 科 学 技 术 学院 学 报（自 然 科 学 版），（）：