基于FLAC3D的基坑工程下地铁隧道隆起位移的数值模拟

叶建华

摘要：本文以深基坑开挖对其邻近隧道的影响为研究内容，通过三维有限元分析，在定性的基础上研究了不同情况下深基坑开挖对隧道的影响，为优化设计和施工提供有益的参考。

关键词：基坑开挖；数值模拟；地铁隧道

1.引言

随着经济高速发展，大城市内部可供开发用地越来越接近饱和，地铁周边区域的用地不可避免的逐渐被使用，故现阶段越来越多的深基坑工程位于运行的地铁隧道区间附近。由于近距离的深基坑开挖卸荷会导致隧道周边的位移场和应力场发生变化，而地铁隧道的变形控制要求又极其严格，因此，在大力发展城市地下空间建设和利用的今天，研究基坑开挖卸荷对地铁隧道的影响，确保隧道在运行过程中的使用安全，具有相当的紧迫性和适用性。由于施工方法的多样性和工程的复杂性，目前还没有提出较为精确的理论解析解，绝大多数工程（紧邻地铁隧道附近）在建设前基本上都采用数值模拟的方法来分析深基坑开挖过程中对地铁隧道影响，并对其进行预测。本文运用三维有限元分析软件FLAC3D从空间上分析讨论不同工况情况下深基坑开挖对地铁隧道变形及内力的影响，该分析方法和结果可为类似工程提供一定借鉴。

2.三维有限单元结构模型

为了模拟基坑开挖卸荷对地铁隧道的影响，可以做出一些假设：（1）假设开挖岩土层为理想匀质单一岩土体；（2）忽略基坑边地面超载对地铁隧道的影响；（3）忽略其端部效应；（4）隧道位移与土体位移相容；（5）为减小计算量，将盾构隧道方向与基坑纵向近似为正交。

有限单元结构模型不可能选取无限大的空间，因此适当选取合理的计算区域和边界条件尤为重要。由于基坑开挖的影响范围主要取决于基坑开挖的平面尺寸、形状、开挖深度及工程地质条件等因素。故本次数值模拟分析过程中，假定基坑开挖长约30m，宽约30m，最大开挖深度约8m。一般认为：基坑开挖影响范围水平、竖向方向为2倍～3倍基坑开挖深度范围，考虑到隧道存在前后左右的对称性，本文所选的有限单元结构模型取长（X方向）90m，宽（Y方向）90m，深（Z方向）40m，坐标O点代表隧道最低点。隧道与开挖基坑的相对位置关系见图1与图2，隧道埋深约为 20m，隧道直径为6m，位于开挖基坑的正下方。结构模型的边界条件为：前后左右水平位移及竖向位移均为0，隧道及基坑等位移边界为自由边界，具体详见图1所示。

建模时，有限单元采用8节点实体单元。对于有限单元模型，有限单元划分网络越多越密，计算机运算速度越慢，故为了提高运行速度，单元划分在保证相关精度的条件下尽量减少岩土体的单元网格剖分，整个模型的单元网格划分如图3所示。

3.岩土体参数及本构关系

在岩土工程数值模拟分析过程中，通常选用摩尔-库伦准则（M-C）或德鲁克普拉准则（D-P）作为岩土土体的计算屈服准则，故本文选用D-P准则进行数值模拟分析。该准则假定岩土体为理想弹塑性材料，在主应力空间的屈服面为光滑圆锥面，在π平面上为圆形，不存在尖顶处的奇异问题，其表达式为

本文的有限元模型主要由土体和隧道两种材料。

（1）土层参数的选取。以广州地区某工程场地的软土层为参数代表，取值如表1所示。

（2）結构参数。隧道衬砌的材料参数按混凝土选取，其参数如表2所示。

4.三维数值模拟结果及分析

基坑开挖过程中分为3个工况，各工况顺序如下：

工况一：基坑开挖至地表面下3m隧道的变形情况；

工况二：开挖至地表面下6m隧道的变形情况；

工况三：开挖至地表面下8m隧道的变形情况。

采用FLAC3D软件对图2所示的结构模型进行数值计算模拟，分析得到以下结果：①由图3可知，基坑开挖3m后，由于基坑开挖卸荷，隧道上方土体隆起效应较（下转104页）（上接100页）为明显，大致趋势按U型分布，隧道最大隆起位移值为10mm，隧道两侧位移稍微变化，其值在6mm左右。②由图4可知，基坑开挖6m后，隧道隆起位移值达到20mm，隧道两侧位移变化量值为15mm，其中基坑开挖的最低处位移隆起达到30mm，其最大值在隧道的正上方。③由图5可知，基坑开挖8m后，隧道最大隆起位移值为30mm，隧道两侧位移隆起量值在25mm左右，其中基坑开挖的最低处位移隆起达到40mm，其最大值在隧道的正上方。

由计算结果，可以得到隧道隆起位移与隧道基坑开挖深度的变化趋势图，如图6和图7所示：

由图6和图7可知，随着基坑开挖的深度的不断变大，隧道隆起效应越突出，其中在地铁隧道顶部位移变化比两侧变化明显，主要原因是土体开挖卸荷，改变了原有的应力情况。

5.结论

本文运用FLAC3D有限元软件，通过选取广州地区某工程场地的岩土计算参数，研究了不同工况下基坑开挖卸荷过程对隧道变形的影响，通过数值模拟分析可得到如下结论：endprint

（1）基坑开挖卸荷对隧道影响较大。当隧道位于基坑正下方时，基坑开挖卸载对其下部的地铁隧道有明显影响。主要原因如下：基坑开挖过程中，由于卸载使得下部土体产生回弹效应，土体应力得到释放，从而带动土体中的隧道产生隆起现象。隧道位于开挖基坑的正下方时，由于对称性原理，隧道位移变化主要表现为竖向上抬，隧道顶部的变形比两侧位移变化明显。

（2）当基坑开挖到一定的深度时，隧道隆起位移值可能会超过规范容许最大变化值，故基坑开挖过程中，应及时对地铁隧道进行相关监测，通过监测数据来实时掌握基坑开挖卸荷对隧道的影响程度，必要时应采取一定的保护加固措施对地铁隧道进行保护或停止开挖基坑并及时回填基坑，预防和保护隧道的正常安全使用。

参考文献：

[1]刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩石力学与工程学报，2001，20（2）：202- 207.LIUGuo- bin，HUANGYuan- xiong，HOUXue- yuan. Thepredictionandcontrolofrebounddeformationoftheexistingtunnelsri ghtunderexcavation[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2001，20（2）：202-207.

[2]吉茂杰，刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移的预测方法[J].同济大学学报（自然科学版），2001，29（5）：531-535.

[3]戚科骏，王旭东，蒋刚，等.临近地铁隧道的深基坑开挖分析[J].岩石力学与工程學报，2005，24（s2）：5485-5489.5485-5489.QIKe-jun，WAHGXu-dong，JIANGGang，etal.Analysisofdeeppitexcavationadjacenttotunnel[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，2005，24（Supp.2）：5485-5489.

[4]邢崴崴.基坑工程对下部地铁隧道影响的研究——结合南京龙蟠路新建隧道基坑工程[D].南京大学，2005.

[5]蒋洪胜，侯学渊.基坑开挖对临近软土地铁隧道的影响[J].工业建筑，2002，32（5）：53-56.

[6]况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响[J].岩土工程学报，2000，22（3）：284-288.endprint