沟槽开挖对下方既有地铁隧道的影响数值模拟位移分析

丁小彬Julio S.Lobo

（华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510000）

0 引言

随着经济和城市轨道交通的快速发展，地铁隧道的正常运营不可避免地受到沟槽开挖工程等各种新型工程风险的影响。沟槽开挖使开挖区深层地层隆起，从而导致地铁隧道隆起。为了研究隧道在附近开挖时的反应，许多学者结合具体的工程实例针对开挖工程对邻近隧道的影响展开研究。

张晓鹏［1］采用PLAXIS 2D有限元软件对基坑支护和开挖步骤进行分析，研究基坑开挖过程中对隧道位移和应力的变化。研究表明，隧道最大变形发生在隧道顶部。田正一［2］采用ABAQUS有限元软件研究南京市一快速化改造工程，探讨基坑对紧邻既有公路隧道的影响。研究发现，隧道在基坑开挖范围竖向上浮，沿轴线方向呈正态分布。Sharma［3］研究MRT隧道附近大型的基坑开挖，研究表明，隧道衬砌的刚度对其位移和变形有显著影响。刚性较大的隧道可能会发生较少的变形。余建河［4］采用有限元软件研究深圳市景田某项目基坑对下卧地铁隧道位移。研究表明，隧道隆起满足规范要求。贾世平［5］采用有限元仿真模拟深圳市中心区基坑开挖对地铁隧道影响。研究表明，隧道的变形在控制范围之内。

本研究依托广州李溪干渠改渠沟槽开挖工程对下方既有隧道的影响，采用有限元软件MIDAS Gts Nx，应用修正摩尔库伦本构模型研究沟槽开挖过程中下方既有的地铁隧道的应变场。数值模拟结果可以为施工工程提供依据。

1 工程概况

李溪干渠改渠沟槽开挖工程位于广州白云区人和镇，本工程下方运营中的地铁3号线隧道，渠底与地铁3号线隧道顶最小垂直距离为6 m，该范围内改渠段采用单独施工，为了减小对地铁结构的扰动，基坑开挖采用分段小面积开挖。K7+150～K7+190里程段上跨地铁隧道，共计长度为40 m，最大开挖深度4 m。

K7+150～K7+180位于地铁隧道正上方，长度30 m，此30 m范围内按6段，分段进行开挖，每段5 m；K7+180～K7+190，长度10 m，一次开挖。

工程地质条件为：人工填土，中粗砂，砾砂，冲积—洪积土，强风化泥质粉砂岩。地铁隧道洞身主要位于砾砂、冲积—洪积土层中。

2 数值模拟分析

2.1 模拟建立

模型计算范围的控制原则为边界条件不能过大地影响关心部位的计算结果。模型计算范围为长约80 m，宽约50 m，土层计算深度为35 m。三维整体模型的边界条件为：模型前后两面约束Y方向位移，模型左右两面约束X方向位移。模型底部约束全。

隧道直径为6 m，厚度0.2 m.隧道埋深10 m。模拟地层使用实体单元，采用二维壳单元模拟隧道管片。土体的本构模型采用修正—摩尔库伦，隧道结构采用线弹性。

2.2 模型计算参数

隧道管片弹性模量为30 000 GPa，泊松比为0.2。土体参数取自相应位置处地质勘察报告。土体的变形模量Mo一般等于割线模量应用修正摩尔库伦本构模型计算时和往往是通过假设与有一定的比例关系推导出来的。其中卸载再加载模量取（3～5），一维压缩试验的参考切线刚度一般取（0.5～1.3）周恩平［7］认为对于黏性土取（4～6），对于砂土取（3～5）。

2.3 模拟施工

模拟施工的具体步骤如下。①模拟初始地层应力状态。②模拟隧道施工。获取隧道施工完成后的隧道应力状态，位移清零。③开挖1～6，模拟K7+150～K7+180里程，长为30 m，分5块开挖。④开挖7，模拟K7+180～K7+190里程，长为10 m。一次开挖。

3 数值模拟结果分析

3.1 隧道竖向位移

沟槽开挖完成后的隧道管片的竖向位移云图如图1所示，从图1可以看出，由于土体的卸载在隧道上方，导致隧道管片最大竖向位移出现在拱顶上。为了研究隧道在各开挖阶段的不同变形，本研究选择了右侧隧道的变形。在云图中沿右侧隧道的拱顶上从前到后提取各截面节点位移值。隧道管片竖向位移随沟槽开挖曲线如图2所示。

图1 沟槽开挖完成后的隧道管片竖向位移云图

从图2可以看出，在开挖沟槽过程中，靠近沟槽开挖底部的隧道拱顶经历了向上浮的竖向位移。隧道管片最大上浮位移值发生在开挖6。也可以看出，开挖1到开挖6时，右侧隧道管片拱顶竖向位移值随着开挖的推进呈线性增加。上浮值达到1.1 mm。在开挖6时，由于卸载的土体在右隧道正上方，隧道管片的上浮位移值达到顶峰，但在开挖7时，由于沟槽开挖远离右侧隧道，上浮位移减小到1.08 mm。

图2 隧道管片在不同开挖阶段的竖向位移曲线

3.2 隧道水平位移

图3为开挖完成后的右侧隧道管片的水平位移云图。从图3提取隧道纵向从前到后各截面上右侧拱腰节点的位移值，分析盾构隧道管片在各开挖阶段的水平位移。隧道管片水平位移曲线如图4所示。

图3 右侧隧道沟槽开挖完成后的盾构隧道竖向位移云图

从图4可以看出，隧道管片最大的水平位移出现在开挖5，位移值达到0.55 mm，从开挖1到开挖5，可以看出位移值呈线性关系。但从开挖6到开挖7可以看出，隧道管片的水平位移减少，原因在于开挖6位置在隧道正上方，并在开挖7时，沟槽开挖位置已超过或远离右侧隧道。

图4 隧道管片在不同开挖阶段的水平位移曲线

从以上分析沟槽开挖对隧道变形来看，隧道管片最大竖向位移值为1.1 mm，并且隧道水平最大位移值仅为0.55 mm。隧道竖向位移比水平位移大距离/m 96.3%，但是所有的变形在规范的变形控制要求范围之内［8］。

4 参数敏感度分析

为了解土体模型参数的变化对隧道的影响。选择不同的土体内摩擦角以及卸载再加载模量进行研究。

4.1 土体摩擦角影响

为评价不同的土体中摩擦角对既有隧道的影响，采用不同土体摩擦角进行分析，原有的土体的内摩擦角分别取0.8φ、φ和1.2φ进行计算，但其他参数保持不变。土体内摩擦角变化对隧道管片竖向位移如图5所示。

从图5可以看出，隧道管片竖向位移在0.8φ，φ和1.2φ的内摩擦角分别为1.12 mm、1.08 mm和1.01 mm。从图5可以看出当减少内摩擦角20%时，隧道管片的的竖向位移增大了3.7%。但增大内摩擦角20%隧道的竖向位移减少了6.4%。改变内摩擦角对隧道管片位移影响不大。

图5 不同土体内摩擦角对隧道管片竖向位移曲线

4.2 土体卸载再加载模量的影响

为研究土体的卸载再加载模量对隧道管片的影响，选择各种不同土体卸载再加载模量进行分析，原有的土体的卸载再加载模量分别取为0.8Erefur、Erefur和2Erefur进行分析，其他参数保持不变。土体卸载再加载模量变化对隧道管片竖向位移如图6所示。

图6 不同土体的卸载再加载模量对隧道管片竖向位移曲线图

从以上分析土体内摩擦角和卸载再加载模量对隧道管片的位移可以看出，减少内摩擦角以及卸载再加载模量对隧道的竖向位移增大了，但是减少卸载再加载模量性对隧道竖向位移相对较大。变形都没达到15 mm，所以隧道在安全状态。

5 结论

采用有限元软件MIDAS Gts Nx，应用修正摩尔库伦本构模型分析了沟槽开挖全过程，然后在进一步研究不同的土体内摩擦角以及卸载再加载模量的改变对下方运营的既有地铁隧道影响。主要结论如下。

①由于沟槽开挖在隧道的上方，施工时对隧道的竖向位移为主，竖向位移约是水平位移2倍大。

②在分析土体的内摩擦角以及土体的卸载再加载模量对隧道位移发现，减少内摩擦角以及卸载再加载模量对隧道的竖向位移增大了，但是减少土体的卸载再加载模量对隧道竖向位移影响相对较大。

③沟槽开挖施工对隧道管片的影响变形都没达到1 mm，所有的变形都在控制范围内，隧道在安全的状态。