河道施工對地下隧洞安全影響的Plaxis 2D有限元分析研究

羅偉爭

(深圳市水務科技發展有限公司，廣東 深圳 518000)

城市河道綜合整治工程過程中常常遇到對地下隧洞存在空間位置相鄰或者交叉的情況，對于此類問題的安全評估通常會采用有限元分析軟件。目前，國際上出現了較多著名的有限元分析軟件，例如ABAQUS、ADINA、MCS.PATRA、MCS.MAR、ANSYS、PLAXIS、MIDAS等。這些軟件廣泛應用于大型工程項目的建模，為這些項目的優化設計提供了便利。這些軟件都具有強大的前期和后期處理功能，能夠進行大量數據的驗算。綜上各分析軟件的特點，本次選取國內常用的PLAXIS有限元工具在河道施工對地下隧洞安全影響的分析研究中已達成量化分析的結論的適用性。

1 方法簡介

1.1 Plaxis 2D有限元軟件

本次分析研究采用Plaxis有限元軟件進行數值模擬。Plaxis是用于巖土工程的變形、穩定性以及地下水滲流等問題的通用有限元系列軟件。它計算功能強大、運算穩定、界面友好。Plaxis誕生于1987年荷蘭的Delft大學，最初目的是為了在荷蘭特有的低地軟土上建造河堤，開發一個易于使用的二維有限元分析程序。經過20多年的發展，Plaxis已經成為能夠高效解決大多數巖土工程問題的通用有限元系列軟件。Plaxis的主要應用領域包括：基礎工程、地質工程、地下工程、隧道工程、水利工程、近海工程、采礦工程等。

1.2 分析要點

采用Plaxis有限元軟件過程主要包括選取典型案例，確定分析重要要素、分析指標、范圍及邊界條件，建立案例數字模型及運行計算、統計結果，形成分析結論。其中河道建設項目施工時地下隧洞受力及變形分析是本次分析的重要因素。

2 分析實例

選取前海深港合作區雙界河水廊道工程作為分析實例。其中河道整治對象為雙界河水廊道，其干流全長5.36km，通過河道防洪工程、水質保障與生態景觀三大工程的實施實現防洪、水質及生態景觀目標。根據地鐵設計資料，已建地鐵1號線、5號線、前海車輛段左右出入線、在建11號線與本工程水廊道存在垂直交叉以及側向并行關系。

垂直交叉：地鐵與水廊道垂直交叉區段，由于主槽較現狀雙界河河槽南偏約35m，引起地鐵隧洞上方設計主槽區域土方開挖(開挖深度約3～6m)，現狀河槽區域土方堆填(堆填高度約2～3m)，如圖1所示。

側向并行：前海車輛段右出入線與設計水廊道主槽并行，最近距離在20m范圍之內，地鐵隧洞結構頂高程為0.00m，高于旁邊設計主槽-2.0m槽底高程，涉及隧洞上方及一側土體的大范圍開挖，如圖2所示。

圖1 地鐵與水廊道垂直交叉段河道斷面

圖2 地鐵與水廊道側向并行段河道斷面示意圖

由此，需要進行河道施工對地下隧洞安全影響評估，以確定是否需要增加地下隧洞的保護措施。

2.1 計算條件

計算各條交叉地鐵線路在上方土方開挖及堆填工況下的隧洞變形量。模擬采用彈塑性摩爾-庫倫模型，可考慮剛度隨深度變化的特點，但不能考慮剛度與應力路徑相關的特征，計算主要包括4個參數:土體彈性模量Er、泊松比ν、有效黏聚力c、有效內摩擦角φ，各參數取值詳見表1—2。

2.2 計算分析

計算分為隧洞上方卸土和隧洞上方堆載兩種工況。隧洞上方卸土具體計算分析情況如圖3—6所示。隧洞上方堆載具體計算分析情況如圖7—9所示。

2.3 成果驗證

為驗證上述計算變形模擬成果，本設計利用Plaxis 2D V9.0巖土有限元軟件，結合地質周邊地質鉆孔資料，模擬現場壓板試驗過程，得到如圖10所示的壓縮及回彈曲線。

表1 有限元模擬各土層參數取值表

表2 地鐵隧洞襯砌特性表

圖3 地鐵1號線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：27.15mm)

圖4 地鐵5號線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：30.13mm)

圖5 車輛段左出入線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：32.59mm)

圖6 車輛段右出入線開挖段隧洞位移云圖(隧洞最大位移：23.28mm)

圖7 地鐵1號線堆載段隧洞位移云圖(隧洞最大沉降：5.92mm)

圖8 地鐵5號線堆載段隧洞位移云圖(隧洞最大沉降：6.71mm)

圖9 車輛段左出入線堆載段隧洞位移云圖(隧洞最大沉降：7.65mm)

圖10 模擬現場壓板試驗p-s曲線

3 結語

經過以上分析及實際案例的結合運用，得出Plaxis軟件在經過確定分析重要要素、分析指標、范圍及邊界條件，建立案例數字模型及運行計算、統計結果，形成分析結論的過程可以對涉水工程受力及變形進行詳細、貼合度較高的模擬分析，可以得出對分析評價工作指標量化的評價結論。

因此，Plaxis軟件可在河道施工對地下隧洞安全影響的分析中結合實際現場情況積極采用。