基坑施工对隧道结构影响的数值模拟研究

解 博

(山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006)

1 概述

近年来，地铁在现代社会及生活中的重要性逐渐凸显。修建的地铁隧道结构必然错综复杂的穿梭于城市的地下空间，使得整个地下状况更为复杂，故对于地铁结构上覆的基坑施工工作产生较大影响，稍有不慎，将会引起地铁结构的破坏甚至更为严重的工程事故。为保证地铁结构及运营安全，展开基坑施工对下卧地铁结构影响方面的研究工作有重要的工程意义。

本文依托某地铁建设工程，通过有限元计算分析的方法，模拟地铁上覆基坑施工的整个施工过程，对其上覆基坑施工对下卧隧道结构位移及力学性质的影响进行研究。

2 有限元模型

本文采用ANSYS有限元三维立体模型，土体采用8节点的Soild65单元，隧道采用Shell63单元，Shell63的厚度设置为30 cm，与实际相同，三维模型服从DP屈服准则，属于非线性三维分析。桩表面采用Target170目标单元，桩周土表面采用Contact173接触单元。

2.1 材料属性

参考现场勘查资料，模型中土层分为8层，前5层为基坑开挖部分，第⑥层为隧道上覆土层，第⑦层为隧道左右土层，底层为隧道下部持力层，各土层参数如表1所示，隧道参数及桩体参数取值分别如表2，表3所示。

2.2 模型约束及“生死”

采用节点约束，在模型左右施加水平方向的约束，底部施加竖向约束。模拟过程中，先施加自重应力进行计算，而后运用“KILL”命令进行开挖隧道模拟，运用“EALIVE”命令激活隧道支护单元Shell63，认为隧道已经施工完成。最后通过“KILL”命令及荷载步(LOADSTEP)命令进行隧道上部基坑逐步开挖的模拟，以保证模拟现场的实际施工步骤，确保施工连续性，防止一次性开挖导致个别单元变形过大。

表1 土层参数取值表

表2 隧道参数取值表

表3 桩体参数取值表

2.3 单元接触

桩体采用C40混凝土，属于刚性单元，桩基对称分布在隧道两侧，属近桩施工，模型建立中，桩体采用Target170目标单元。桩周土为黄土状粉质粘土，为柔性材料，故采用Contact173接触单元模拟。每根桩和桩周土定义接触对时，接触单元和目标单元必须为同一实常数，以实现较好接触。

3 基坑开挖计算结果分析

3.1 基坑开挖对隧道应力影响分析结果

从基坑开挖的过程中隧道周围应力的变化中可以看出，顶部及底部应力均趋势减小，顶部变化最为明显。基坑第三次开挖后，隧底的应力仍最大，顶部应力次之，两侧最小，符合隧道实际应力情况。顶部的应力变化比较明显。

3.2 基坑开挖对隧道竖向位移的影响分析结果

基坑开挖使得隧道周围均产生向下的位移沉降，其顶部及其内外侧位移呈倒置钟形分布(中间大，两边小)，隧底类似拱形，隧道顶部所产生的位移量最大，较隧道外侧竖向位移，其内侧位移值偏大。隧道在整体上浮的同时伴随着较小的自身变形。

基坑开挖对于隧道的影响主要在于基坑开挖前期，在基坑未开挖时，隧道承受上部土层的自重应力作用，第一次开挖完成后，上部土层荷载减少，相当于给隧道结构卸载，此时隧道结构会因为隧道底部和顶部的压力差，而产生“上浮”现象。故基坑防护的重点在于前期施工过程中对于隧道上浮情况的监测及防护工作的进行，只有精准的监测，及时对隧道的具体情况进行分析，才能确保地铁隧道的安全及正常营运。

4 桩基加载施工计算结果分析

4.1 桩基施工对隧道应力影响分析结果

受桩基施工的影响，隧道顶部与底部所产生的应力为负值，呈受压状态；而其内外两侧应力为正值，呈受拉状态。随桩基荷载的增加，所有节点对应的应力均有增加，且隧道顶部及底部的应力变化幅度比其两侧增幅偏大。桩基施工对隧道整体应力状态的影响主要集中于其中部位置。对比基坑开挖对隧道周围应力的影响，桩基的施工对隧道周围应力所造成的影响程度明显偏小。

4.2 桩基施工对隧道竖向位移的影响分析结果

桩基的施工使得隧道顶部底部及内外两侧均产生向下的位移。隧道顶部所产生的沉降位移最大，两侧次之，底部位移量最小。随桩基分级加载的施工，隧道整体沉降量逐渐增大。桩基施工完成后，以3 000 kN的加载增量依次递增，桩基施工完成后至第一部加载所产生的竖向位移量最小。

5 结语

本文主要通过有限元模拟计算基坑开挖及桩基施工对隧道结构的力学性质及位移变化的影响研究，主要结论如下：

1)隧道上覆基坑开挖对隧道结构的应力及应变的影响明显大于桩基的施工加载对其影响。

2)随上覆基坑开挖，隧道周围应力均逐渐减小，且其顶部变化最明显。隧道竖向位移变化量大于横向位移变化，隧道整体表现为被“拉长”的趋势。

3)基坑开挖，隧道底部与顶部存在一定程度的水平位移差值，即双线隧道在上覆基坑开挖影响下将产生上浮及小范围的旋转现象。

4)随基坑下部桩基的加载，隧道底部应力变化量较其顶部偏大，而其顶部产生的竖向位移变化最大，且其外侧的水平位移变化最明显。

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