1、基坑开挖对邻近地铁隧道影响的数值模拟分析摘要：随着城市的发展，地铁线附近的土地资源不可避免的被人们所开发利用。基坑开挖过程中土体会产生卸荷效应，导致邻近的地铁隧道产生附加应力及位移，影响地铁线的正常使用。本文以深圳某基坑为工程背景，采用数值模拟的方法研究了基坑在分阶段开挖过程中基坑支护体系及邻近地铁隧道位移场的动态分布。计算所得的各位移场分布符合理论预期，验证了数值模拟分析的合理性，同时也给类似基坑工程的设计、施工提供了有益参考。 关键词：基坑；数值模拟；地铁隧道；卸荷效应 Abstract: With the development of the city, the land resourc
2、es inevitably wire near the people development and utilization. In the process of excavation soil can produce effect of unloading, resulting in a subway tunnel adjacent to produce the additional stress and displacement, affecting the normal use of the subway line. This article in the foundation pit
3、in Shenzhen as the engineering background, the dynamic distribution of foundation pit in stages during the excavation of foundation pit system and the adjacent metro tunnel displacement field using numerical simulation method. Calculated you shift distribution is consistent with theoretical expectat
4、ions, to verify the numerical simulation analysis of rationality, but also provide a useful reference to the design, similar foundation pit engineering construction. Key words: foundation pit; numerical simulation; subway tunnel; unloading effect 中图分类号：TV551.4 文献标识码：A 文章编号： 引言 近年来随着中国城市化水平的不断推进，在一些大
5、中型城市中交通拥挤问题越来越突出。作为一种快捷、高效的公共交通运输方式，地铁在越来越多的城市中得到了长足发展。地铁线作为一条城市的黄金商业线，随着地铁的建设，地铁沿线周边土地也得到了充分开发，因而出现了很多在地铁线上方或附近基坑开挖的情况。在基坑开挖过程中由于土体的卸荷效应，将会对临近地铁线的运营造成一定的影响。因此，从工程设计角度来讲就必须要考虑这种卸荷效应会在多大程度上给地铁运营造成影响。 城市基坑设计应当从传统的强度控制设计转变为变形控制设计。在基坑开挖过程中由于支护结构与土体的相互作用，其应力状态处于动态变化中以满足基坑的平衡需要。在这一过程中，基坑周边土体位移场也处于不断变化状态。这
6、种改变会使包裹在周边土体中的临近地下结构产生变形，使结构产生附加应力，给结构的承载能力及正常使用产生较大影响。因此在基坑设计、施工中对周边土体及附近结构物的位移场分析也就显得尤为重要。本文通过对某基坑支护工程的数值模拟分析，重点分析了基坑开挖及综合楼建设过程中周边土体、地铁结构物的位移场分布状态，以期能给今后类似工程提供参考借鉴。 1 工程概况及水文地质条件 1.1 工程概况 本项目基坑周围环境条件较复杂，地质条件一般，其支护安全等级为三级。考虑安全性、经济性以及施工便利性，本基坑南侧支护采用单排搅拌桩+钢管+土钉；其余各侧采用双排搅拌桩+土钉。 2 基坑工程动态施工全过程三维数值模拟 随着城
7、市地下工程的迅速发展，以往完全依靠经验来进行地下工程设计并不能完全满足实际需要，特别是地下工程之间的相互影响评价，如：交叉盾构隧道，交叠隧道等。数值分析作为一种辅助工具，由于其在岩土本构模型方面上的局限性，虽不可能完全代替工程经验及常规的设计计算方法，但是使用者可以在适当的范围内结合自己的工程经验，利用数值分析软件服务于实际工程的设计。 2.1 分析软件简介 本工程采用 MIDAS 开发的大型通用有限元分析软件 MIDAS GTS420，作为一种功能强大的有限元分析软件，MIDAS 在商业有限元软件中占有了极其重要的角色。MIDAS GTS 包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变
8、形行为。涵盖了现实世界中可能遇见的所有工程问题，具有较为完整的岩土工程分析过程和材料模型，提供了解决土力学和岩石力学、地下结构、基坑开挖、土结构相互作用等绝大多数岩土工程问题。 2.2 三维模型的建立 根据场地情况，建模时综合考虑计算时间与计算规模的协调，计算的有限元模型如图 1 所示，模型的尺寸为 210m180m59m，模型共104689 个节点，97916 个单元，其中包括 62678 个六面体单元（土体） ，6540 个板单元（围护结构） ，10380 个板单元（地铁结构） 。模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定；模型四周约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。 图 1 模型三维有限
9、元网格 2.3 本构模型及材料参数确定 工程中常用的土体本构模型有很多种，每种模型都有其各自的适用范围。根据基坑开挖的特点分析和土的工程特性的不同，本工程对于人工填土、粘土采用修正剑桥模型（Modified cam-Clay）模拟，对于粗砂砾、全风化砂岩、强风化砂岩和中风化砂岩，本工程采用 Drucker-Prager 模型进行模拟。具体模型各参数的意义及确定方法见文8-9。 本构模型计算参数根据勘察报告所提供的参数，没有提供的模型参数根据相关经验确定。支护结构水泥土搅拌桩采用板单元模拟，地铁结构采用壳单元模拟，结构材料 2.4 计算工况设置 计算模型同时考虑了基坑开挖过程中桩与土的相互作用，
10、隧道衬砌与土的相互作用，考虑基坑开挖的全过程，进行分步模拟分析。 3 模型计算结果及分析 模型计算的重点是分析基坑开挖对周边土体及邻近地铁位移的影响。由计算结果可以得到，当基坑开挖结束后，由于基坑比较狭长，长边方向刚度相对较小，因此地表沉降主要发生在基坑长边一侧。地表最大沉降值达到 29mm，基坑两侧形成沉降槽，这符合我们的预期，说明了有限元分析的合理性。如果基坑周边有重要的管线设施，设计、施工时应当考虑沉降对这些设施正常使用的影响。 地铁结构的竖向、水平向位移主要发生在地铁隧道中部处，其竖向、水平向最大位移值分别为 4.8mm，3.1mm。其位移场的分布符合我们的预期，因为由基坑周边地表沉降
11、图可以发现，在隧道中部上的土体沉降值最大，这样就会在隧道中部处产生最大的附加应力，从而形成图示的位移场。另外值得注意的是，因为隧道刚度相对较大，内侧的隧道会在很大程度上承担加载在隧道上的附加应力，从而使外侧隧道的位移比较明显的小于内侧隧道。基坑开挖过程中各控制位移最大值随开挖深度的变化关系如图 2 所示。 图 2 基坑开挖过程中各控制位移最大值随开挖深度的变化图 由基坑周边土体及邻近结构物位移场随开挖深度变化图可以看出在现有的支护条件下：对于基坑支护结构来讲，其最大水平位移值在开挖深度较小时变化较小，当开挖深度达到 3.5m 左右时基坑侧向水平位移开始加速变形，当开挖深度为 4.9m 时，其水
12、平向侧位移达到 35mm，如果基坑开挖深度进一步加大，支护结构的刚度值可能满足不了要求，需要加大支护结构的水平刚度；对于基坑周边土体的最大沉降值，其变化速度大体不随开挖深度的变化而变化，没有出现类似于水平位移加速变形情况，这也表明了在基坑工程中，支护结构的水平位移对开挖深度更加敏感；对于邻近地铁隧道的竖直及水平最大位移，其值基本上随着开挖深度线性变化。 4 结语 通过对深圳蛇口渔街停车场综合楼基坑开挖对临近地铁隧道影响的数值模拟分析可得到如下几点结论与建议。 （1）数值模拟分析得到的土体沉降、临近结构物的位移场分布符合我们理论上的预期，证明了数值分析在研究基坑开挖过程中临近结构物相互影响方面的
13、可行性。 （2）数值模拟分析得到的各种控制位移值均满足相应规范要求，说明了基坑方案设计的合理性。 （3）数值模拟分析的核心在于土体本构关系的选择。鉴于目前本构模型研究的局限性，一些参数的选择很大程度上带有经验性质，为了提高模拟的精度，在土体本构模型及材料选择上值得进一步研究。 （4）数值模拟分析的结果并不带代表实际结果，因此在基坑施工当中应当充分做好监测工作，当位移值不满足要求时及时调整设计，做到施工的信息化及动态化。 参考文献： 1 柳建国，程良奎. 北京地区基坑支护技术的发展与工程实践J. 岩土力学，2009，30(4): 10131017. 2 强健深. 大基坑对邻接地铁工程的影响分析J. 地下空间与工程学报，2010，6. 3 王昌兴. MIDAS/Gen 应用实例教程及疑难解答 M. 中国建筑工业出版社，2010，01.
