深基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響數(shù)值分析

摘要：隨著城市的發(fā)展，城市軌道交通的不斷完善，地下空間的不斷開發(fā)必然會牽連到日益完善的軌道系統(tǒng)，比如深基坑工程，本文將以深基坑開挖對鄰近隧道的影響作為研究方向，運用三維有限元進行分析，在其定性的基礎上研究在不同情況下深基坑開挖對鄰近隧道的影響。

關鍵詞：深基坑；地鐵隧道；數(shù)值分析

隨著城市軌道交通的逐步發(fā)展進而帶動了其沿線的商業(yè)發(fā)展，住宅建筑等也在軌道交通的影響下不斷發(fā)展開發(fā)，這里就會存在問題，比如新建的工程會影響到已建成的隧道，這種影響可能在隧道的兩側(cè)或則隧道上方，這里對地鐵隧道影響最大的就是深基坑的開挖。基坑開挖所在的土體卸荷必然會影響到地鐵隧道周圍的地層移動，而地鐵隧道早已建成，其規(guī)格都已達到標準，如果土體卸荷定會導致地鐵隧道位移場與應力場的變化，這將嚴重威脅到地鐵隧道的安全。我們都了解地鐵隧道關系到地鐵的正常運行以及人員的生命安全，所以在建造地鐵隧道時對其變形方面的要求非常嚴格，隧道變形規(guī)定的最大位移不可以超過20mm，而隧道的回彈變形最大不可超過15mm。隧道的變形曲率半徑一定要大于15000m，相對的變形要小于12500，所以怎樣有效的控制基坑開挖引起的鄰近土層變化，地層變形以及下臥地鐵隧道的變形都是非常重要的，受其地形復雜性影響，我們一般很難通過解析求解的方法來分析基坑開挖對地鐵隧道的影響，但是數(shù)值方法則能夠很好的解決這一類問題，也為基坑施工邊界復雜性這一問題提供了較為有利的工具。本文將利用三維有限元分析軟件從空間上分析在不同情況下深基坑開挖對其隧道變形的影響。

1三維有限元計算模型

我們利用三維有限元分析軟件來分析深基坑開挖對其下臥地鐵隧道位移的影響，首先假定基坑開挖的深度為標準深度12m，支護形式是連續(xù)墻加三道內(nèi)支撐，連續(xù)墻的厚度定為1m，長乘寬為80m乘40m，內(nèi)支撐截面的尺寸為0.8m乘0.6m，腰梁尺寸為0.8m乘0.8m，第一道內(nèi)支撐標高為正負0m，第二道內(nèi)支撐標高為負4.3m，第三道內(nèi)支撐標高為負8.3m，我們每步超挖0.3m，地鐵隧道的外徑為6m，襯砌片厚度為0.3m，我們的土體用莫爾庫倫模型，計算分析出所土體與基坑支護結構的物理力學參數(shù)，我們通過三維有限元分析軟件可以很容易實現(xiàn)深基坑開挖區(qū)的土體、支護結構施工對地鐵隧道位移的影響。

2有限元分析

2.1相同深度，不同空間位置時地鐵隧道受基坑開挖卸載的影響

2.1.1當隧道處于基坑的側(cè)面時，坑內(nèi)的開挖卸載使得墻內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)墻內(nèi)外土壓差，使連續(xù)墻向基坑內(nèi)側(cè)位移，導致隧道拱腰附近的土體側(cè)向位移了大約8mm，我們從隧道側(cè)向位移的大小可以得出一個結論，基坑開挖卸載對隧道的側(cè)面有一定的影響，但是屬于邊緣影響，影響并不大。

2.1.2當隧道處于基坑的側(cè)面時，基坑內(nèi)的開挖卸載會使隧道拱頂最大抬升10mm，我們從隧道側(cè)向位移的大小可以得出結論，在相同的隧道深度情況下，隧道在基坑側(cè)面時基坑開挖卸載對隧道的影響要小于基坑正下方的隧道影響，一般為正下方隧道的一半。

2.2空間位置不同及深埋情況下隧道受基坑開挖卸載的影響

當隧道處在基坑的正下方時，如果隧道深度增加，那么其基坑開挖卸載的影響就會減少，當隧道處于基坑側(cè)面時，隧道的側(cè)向位移會隨著隧道深度的增加而出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象。隧道的豎向位移與其水平位移是類似的，主要是當隧道埋深為1.0D時，當時是處于連續(xù)墻范圍內(nèi)的，受到連續(xù)墻的作用，基坑開挖對隧道的影響會逐漸變??；但是當隧道不在連續(xù)墻范圍內(nèi)時，隧道位移會隨著埋深的增加而受到的影響也逐漸減少，這也與實際的測試結果一致。從這兩種情況我們可以看出，基坑開挖卸載對基坑下臥隧道的影響要大于對其側(cè)面隧道的影響，由于應力壓力的不同，所影響的程度也是不一樣的。

通過基坑開挖對隧道數(shù)值的影響分析，我們得出以下結論：

（1）基坑底部的土體在基坑開挖過程中其豎向與橫向的卸載量是存在較大的差異的，最明顯的差異就是會使坑底隧道出現(xiàn)明顯變形，而開挖對坑外的土體影響是微乎其微的，所以坑外隧道的變形也就相應的小于坑內(nèi)隧道的變形。

（2）基坑開挖會引起坑底的回彈，會引起基坑下臥隧道發(fā)生位移，基坑開挖所引起的坑內(nèi)隧道的上抬位移是比較明顯的。

（3）當坑內(nèi)隧道的水平位置發(fā)生變化時，隧道的變形規(guī)律也是不盡相同的，當隧道處于坑底的中央時，上抬位移以及變形是最大的，而隧道不斷的向基坑的某一側(cè)發(fā)生偏移時，上抬位移計變形就會逐漸減少，相應的，最大最小豎向位移點都會按照隧道變形規(guī)律發(fā)生一定的變化；

3結語

本文主要分析了隧道與基坑在不同空間位置時基坑開挖對隧道位移的影響，我們通過數(shù)值分析得出以下結論：

3.1當隧道位于基坑的正下方，基坑的開挖卸載對下部地鐵隧道的影響最大，基坑開挖卸載會使下部的土體回彈，同時也帶動了土體之中的隧道也發(fā)生位移，隧道處在基坑的正下方，受到其對稱性的影響，隧道位移主要表現(xiàn)在豎向上抬這一塊，而且隨著隧道與基坑之間距離的增加而明顯減小，當基坑與隧道之間的間距超過3.5D時，隧道受到上部基坑開挖的影響是非常小的。

3.2當隧道位于基坑側(cè)面時，基坑開挖卸載對隧道側(cè)向、豎向位移都會產(chǎn)生一定程度的影響，而且會呈現(xiàn)出隨隧道深度的增加先是增加后減少。其主要原因是當隧道深埋深度較小時，隧道處在連續(xù)墻的土體當中的，隧道變形受到基坑開挖卸載的影響是比較小的，但隧道深埋深度加深超過連續(xù)墻范圍時，連續(xù)墻對其約束能力的下降，使得隧道的位移會有所增加，隨著隧道的不斷加深深度，隧道位移受基坑開挖卸載的影響會越來越小。

參考文獻

[1] 陳忠漢,程麗萍.深基坑工程[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.

[2] 宋二祥,邱王月.基坑復合土釘支護的有限元分析[J].巖土力學, 2011,22(3).

[3] 陳肇元,崔京浩.土釘支護在基坑工程中的應用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

作者簡介：杜曉波（1976- ），男，河北灤南人，副教授，工程碩士，從事城市軌道交通工程施工技術方面的研究。