溝槽開挖對下方既有地鐵隧道的影響數值模擬位移分析

丁小彬Julio S.Lobo

（華南理工大學土木與交通學院，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著經濟和城市軌道交通的快速發展，地鐵隧道的正常運營不可避免地受到溝槽開挖工程等各種新型工程風險的影響。溝槽開挖使開挖區深層地層隆起，從而導致地鐵隧道隆起。為了研究隧道在附近開挖時的反應，許多學者結合具體的工程實例針對開挖工程對鄰近隧道的影響展開研究。

張曉鵬［1］采用PLAXIS 2D有限元軟件對基坑支護和開挖步驟進行分析，研究基坑開挖過程中對隧道位移和應力的變化。研究表明，隧道最大變形發生在隧道頂部。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，探討基坑對緊鄰既有公路隧道的影響。研究發現，隧道在基坑開挖范圍豎向上浮，沿軸線方向呈正態分布。Sharma［3］研究MRT隧道附近大型的基坑開挖，研究表明，隧道襯砌的剛度對其位移和變形有顯著影響。剛性較大的隧道可能會發生較少的變形。余建河［4］采用有限元軟件研究深圳市景田某項目基坑對下臥地鐵隧道位移。研究表明，隧道隆起滿足規范要求。賈世平［5］采用有限元仿真模擬深圳市中心區基坑開挖對地鐵隧道影響。研究表明，隧道的變形在控制范圍之內。

本研究依托廣州李溪干渠改渠溝槽開挖工程對下方既有隧道的影響，采用有限元軟件MIDAS Gts Nx，應用修正摩爾庫倫本構模型研究溝槽開挖過程中下方既有的地鐵隧道的應變場。數值模擬結果可以為施工工程提供依據。

1 工程概況

李溪干渠改渠溝槽開挖工程位于廣州白云區人和鎮，本工程下方運營中的地鐵3號線隧道，渠底與地鐵3號線隧道頂最小垂直距離為6 m，該范圍內改渠段采用單獨施工，為了減小對地鐵結構的擾動，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，共計長度為40 m，最大開挖深度4 m。

K7+150～K7+180位于地鐵隧道正上方，長度30 m，此30 m范圍內按6段，分段進行開挖，每段5 m；K7+180～K7+190，長度10 m，一次開挖。

工程地質條件為：人工填土，中粗砂，礫砂，沖積—洪積土，強風化泥質粉砂巖。地鐵隧道洞身主要位于礫砂、沖積—洪積土層中。

2 數值模擬分析

2.1 模擬建立

模型計算范圍的控制原則為邊界條件不能過大地影響關心部位的計算結果。模型計算范圍為長約80 m，寬約50 m，土層計算深度為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。模擬地層使用實體單元，采用二維殼單元模擬隧道管片。土體的本構模型采用修正—摩爾庫倫，隧道結構采用線彈性。

2.2 模型計算參數

隧道管片彈性模量為30 000 GPa，泊松比為0.2。土體參數取自相應位置處地質勘察報告。土體的變形模量Mo一般等于割線模量應用修正摩爾庫倫本構模型計算時和往往是通過假設與有一定的比例關系推導出來的。其中卸載再加載模量取（3～5），一維壓縮試驗的參考切線剛度一般取（0.5～1.3）周恩平［7］認為對于黏性土取（4～6），對于砂土取（3～5）。

2.3 模擬施工

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

3 數值模擬結果分析

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，導致隧道管片最大豎向位移出現在拱頂上。為了研究隧道在各開挖階段的不同變形，本研究選擇了右側隧道的變形。在云圖中沿右側隧道的拱頂上從前到后提取各截面節點位移值。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歷了向上浮的豎向位移。隧道管片最大上浮位移值發生在開挖6。也可以看出，開挖1到開挖6時，右側隧道管片拱頂豎向位移值隨著開挖的推進呈線性增加。上浮值達到1.1 mm。在開挖6時，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到頂峰，但在開挖7時，由于溝槽開挖遠離右側隧道，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拱腰節點的位移值，分析盾構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 右側隧道溝槽開挖完成后的盾構隧道豎向位移云圖

從圖4可以看出，隧道管片最大的水平位移出現在開挖5，位移值達到0.55 mm，從開挖1到開挖5，可以看出位移值呈線性關系。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，溝槽開挖位置已超過或遠離右側隧道。

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范的變形控制要求范圍之內［8］。

4 參數敏感度分析

為了解土體模型參數的變化對隧道的影響。選擇不同的土體內摩擦角以及卸載再加載模量進行研究。

4.1 土體摩擦角影響

為評價不同的土體中摩擦角對既有隧道的影響，采用不同土體摩擦角進行分析，原有的土體的內摩擦角分別取0.8φ、φ和1.2φ進行計算，但其他參數保持不變。土體內摩擦角變化對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的內摩擦角分別為1.12 mm、1.08 mm和1.01 mm。從圖5可以看出當減少內摩擦角20%時，隧道管片的的豎向位移增大了3.7%。但增大內摩擦角20%隧道的豎向位移減少了6.4%。改變內摩擦角對隧道管片位移影響不大。

圖5 不同土體內摩擦角對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隧道管片的影響，選擇各種不同土體卸載再加載模量進行分析，原有的土體的卸載再加載模量分別取為0.8Erefur、Erefur和2Erefur進行分析，其他參數保持不變。土體卸載再加載模量變化對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隧道管片豎向位移曲線圖

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

5 結論

采用有限元軟件MIDAS Gts Nx，應用修正摩爾庫倫本構模型分析了溝槽開挖全過程，然后在進一步研究不同的土體內摩擦角以及卸載再加載模量的改變對下方運營的既有地鐵隧道影響。主要結論如下。

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

②在分析土體的內摩擦角以及土體的卸載再加載模量對隧道位移發現，減少內摩擦角以及卸載再加載模量對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隧道豎向位移影響相對較大。

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