溝槽開挖對(duì)下方既有地鐵隧道的影響數(shù)值模擬位移分析

丁小彬Julio S.Lobo

（華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和城市軌道交通的快速發(fā)展，地鐵隧道的正常運(yùn)營(yíng)不可避免地受到溝槽開挖工程等各種新型工程風(fēng)險(xiǎn)的影響。溝槽開挖使開挖區(qū)深層地層隆起，從而導(dǎo)致地鐵隧道隆起。為了研究隧道在附近開挖時(shí)的反應(yīng)，許多學(xué)者結(jié)合具體的工程實(shí)例針對(duì)開挖工程對(duì)鄰近隧道的影響展開研究。

張曉鵬［1］采用PLAXIS 2D有限元軟件對(duì)基坑支護(hù)和開挖步驟進(jìn)行分析，研究基坑開挖過程中對(duì)隧道位移和應(yīng)力的變化。研究表明，隧道最大變形發(fā)生在隧道頂部。田正一［2］采用ABAQUS有限元軟件研究南京市一快速化改造工程，探討基坑對(duì)緊鄰既有公路隧道的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隧道在基坑開挖范圍豎向上浮，沿軸線方向呈正態(tài)分布。Sharma［3］研究MRT隧道附近大型的基坑開挖，研究表明，隧道襯砌的剛度對(duì)其位移和變形有顯著影響。剛性較大的隧道可能會(huì)發(fā)生較少的變形。余建河［4］采用有限元軟件研究深圳市景田某項(xiàng)目基坑對(duì)下臥地鐵隧道位移。研究表明，隧道隆起滿足規(guī)范要求。賈世平［5］采用有限元仿真模擬深圳市中心區(qū)基坑開挖對(duì)地鐵隧道影響。研究表明，隧道的變形在控制范圍之內(nèi)。

本研究依托廣州李溪干渠改渠溝槽開挖工程對(duì)下方既有隧道的影響，采用有限元軟件MIDAS Gts Nx，應(yīng)用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型研究溝槽開挖過程中下方既有的地鐵隧道的應(yīng)變場(chǎng)。數(shù)值模擬結(jié)果可以為施工工程提供依據(jù)。

1 工程概況

李溪干渠改渠溝槽開挖工程位于廣州白云區(qū)人和鎮(zhèn)，本工程下方運(yùn)營(yíng)中的地鐵3號(hào)線隧道，渠底與地鐵3號(hào)線隧道頂最小垂直距離為6 m，該范圍內(nèi)改渠段采用單獨(dú)施工，為了減小對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，基坑開挖采用分段小面積開挖。K7+150～K7+190里程段上跨地鐵隧道，共計(jì)長(zhǎng)度為40 m，最大開挖深度4 m。

K7+150～K7+180位于地鐵隧道正上方，長(zhǎng)度30 m，此30 m范圍內(nèi)按6段，分段進(jìn)行開挖，每段5 m；K7+180～K7+190，長(zhǎng)度10 m，一次開挖。

工程地質(zhì)條件為：人工填土，中粗砂，礫砂，沖積—洪積土，強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。地鐵隧道洞身主要位于礫砂、沖積—洪積土層中。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模擬建立

模型計(jì)算范圍的控制原則為邊界條件不能過大地影響關(guān)心部位的計(jì)算結(jié)果。模型計(jì)算范圍為長(zhǎng)約80 m，寬約50 m，土層計(jì)算深度為35 m。三維整體模型的邊界條件為：模型前后兩面約束Y方向位移，模型左右兩面約束X方向位移。模型底部約束全。

隧道直徑為6 m，厚度0.2 m.隧道埋深10 m。模擬地層使用實(shí)體單元，采用二維殼單元模擬隧道管片。土體的本構(gòu)模型采用修正—摩爾庫(kù)倫，隧道結(jié)構(gòu)采用線彈性。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

隧道管片彈性模量為30 000 GPa，泊松比為0.2。土體參數(shù)取自相應(yīng)位置處地質(zhì)勘察報(bào)告。土體的變形模量Mo一般等于割線模量應(yīng)用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型計(jì)算時(shí)和往往是通過假設(shè)與有一定的比例關(guān)系推導(dǎo)出來的。其中卸載再加載模量?。?～5），一維壓縮試驗(yàn)的參考切線剛度一般?。?.5～1.3）周恩平［7］認(rèn)為對(duì)于黏性土取（4～6），對(duì)于砂土取（3～5）。

2.3 模擬施工

模擬施工的具體步驟如下。①模擬初始地層應(yīng)力狀態(tài)。②模擬隧道施工。獲取隧道施工完成后的隧道應(yīng)力狀態(tài)，位移清零。③開挖1～6，模擬K7+150～K7+180里程，長(zhǎng)為30 m，分5塊開挖。④開挖7，模擬K7+180～K7+190里程，長(zhǎng)為10 m。一次開挖。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 隧道豎向位移

溝槽開挖完成后的隧道管片的豎向位移云圖如圖1所示，從圖1可以看出，由于土體的卸載在隧道上方，導(dǎo)致隧道管片最大豎向位移出現(xiàn)在拱頂上。為了研究隧道在各開挖階段的不同變形，本研究選擇了右側(cè)隧道的變形。在云圖中沿右側(cè)隧道的拱頂上從前到后提取各截面節(jié)點(diǎn)位移值。隧道管片豎向位移隨溝槽開挖曲線如圖2所示。

圖1 溝槽開挖完成后的隧道管片豎向位移云圖

從圖2可以看出，在開挖溝槽過程中，靠近溝槽開挖底部的隧道拱頂經(jīng)歷了向上浮的豎向位移。隧道管片最大上浮位移值發(fā)生在開挖6。也可以看出，開挖1到開挖6時(shí)，右側(cè)隧道管片拱頂豎向位移值隨著開挖的推進(jìn)呈線性增加。上浮值達(dá)到1.1 mm。在開挖6時(shí)，由于卸載的土體在右隧道正上方，隧道管片的上浮位移值達(dá)到頂峰，但在開挖7時(shí)，由于溝槽開挖遠(yuǎn)離右側(cè)隧道，上浮位移減小到1.08 mm。

圖2 隧道管片在不同開挖階段的豎向位移曲線

3.2 隧道水平位移

圖3為開挖完成后的右側(cè)隧道管片的水平位移云圖。從圖3提取隧道縱向從前到后各截面上右側(cè)拱腰節(jié)點(diǎn)的位移值，分析盾構(gòu)隧道管片在各開挖階段的水平位移。隧道管片水平位移曲線如圖4所示。

圖3 右側(cè)隧道溝槽開挖完成后的盾構(gòu)隧道豎向位移云圖

從圖4可以看出，隧道管片最大的水平位移出現(xiàn)在開挖5，位移值達(dá)到0.55 mm，從開挖1到開挖5，可以看出位移值呈線性關(guān)系。但從開挖6到開挖7可以看出，隧道管片的水平位移減少，原因在于開挖6位置在隧道正上方，并在開挖7時(shí)，溝槽開挖位置已超過或遠(yuǎn)離右側(cè)隧道。

圖4 隧道管片在不同開挖階段的水平位移曲線

從以上分析溝槽開挖對(duì)隧道變形來看，隧道管片最大豎向位移值為1.1 mm，并且隧道水平最大位移值僅為0.55 mm。隧道豎向位移比水平位移大距離/m 96.3%，但是所有的變形在規(guī)范的變形控制要求范圍之內(nèi)［8］。

4 參數(shù)敏感度分析

為了解土體模型參數(shù)的變化對(duì)隧道的影響。選擇不同的土體內(nèi)摩擦角以及卸載再加載模量進(jìn)行研究。

4.1 土體摩擦角影響

為評(píng)價(jià)不同的土體中摩擦角對(duì)既有隧道的影響，采用不同土體摩擦角進(jìn)行分析，原有的土體的內(nèi)摩擦角分別取0.8φ、φ和1.2φ進(jìn)行計(jì)算，但其他參數(shù)保持不變。土體內(nèi)摩擦角變化對(duì)隧道管片豎向位移如圖5所示。

從圖5可以看出，隧道管片豎向位移在0.8φ，φ和1.2φ的內(nèi)摩擦角分別為1.12 mm、1.08 mm和1.01 mm。從圖5可以看出當(dāng)減少內(nèi)摩擦角20%時(shí)，隧道管片的的豎向位移增大了3.7%。但增大內(nèi)摩擦角20%隧道的豎向位移減少了6.4%。改變內(nèi)摩擦角對(duì)隧道管片位移影響不大。

圖5 不同土體內(nèi)摩擦角對(duì)隧道管片豎向位移曲線

4.2 土體卸載再加載模量的影響

為研究土體的卸載再加載模量對(duì)隧道管片的影響，選擇各種不同土體卸載再加載模量進(jìn)行分析，原有的土體的卸載再加載模量分別取為0.8Erefur、Erefur和2Erefur進(jìn)行分析，其他參數(shù)保持不變。土體卸載再加載模量變化對(duì)隧道管片豎向位移如圖6所示。

圖6 不同土體的卸載再加載模量對(duì)隧道管片豎向位移曲線圖

從以上分析土體內(nèi)摩擦角和卸載再加載模量對(duì)隧道管片的位移可以看出，減少內(nèi)摩擦角以及卸載再加載模量對(duì)隧道的豎向位移增大了，但是減少卸載再加載模量性對(duì)隧道豎向位移相對(duì)較大。變形都沒達(dá)到15 mm，所以隧道在安全狀態(tài)。

5 結(jié)論

采用有限元軟件MIDAS Gts Nx，應(yīng)用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型分析了溝槽開挖全過程，然后在進(jìn)一步研究不同的土體內(nèi)摩擦角以及卸載再加載模量的改變對(duì)下方運(yùn)營(yíng)的既有地鐵隧道影響。主要結(jié)論如下。

①由于溝槽開挖在隧道的上方，施工時(shí)對(duì)隧道的豎向位移為主，豎向位移約是水平位移2倍大。

②在分析土體的內(nèi)摩擦角以及土體的卸載再加載模量對(duì)隧道位移發(fā)現(xiàn)，減少內(nèi)摩擦角以及卸載再加載模量對(duì)隧道的豎向位移增大了，但是減少土體的卸載再加載模量對(duì)隧道豎向位移影響相對(duì)較大。

③溝槽開挖施工對(duì)隧道管片的影響變形都沒達(dá)到1 mm，所有的變形都在控制范圍內(nèi)，隧道在安全的狀態(tài)。