基坑开挖对邻近地铁结构影响的数值模拟研究

2023-12-29黄筱淇胡盛亮李达宏

河南科技 2023年22期

黄筱淇胡盛亮李达宏

（南昌市城市规划设计研究总院集团有限公司，江西南昌 330038）

0 引言

随着城市建设的快速发展，公共交通和市政建设如火如荼［1］。然而，在城市建设和改造过程中，常常面临着施工区域邻近地铁隧道、地铁车站等情况［2-4］。在施工过程中，基坑工程开挖施工会引起土体变形，邻近结构所受土体应力状态发生变化，常常面临失稳破坏等问题［5］。因此，针对施工过程中基坑开挖过程中地表位移、竖向位移、邻近结构土体变形开展研究非常重要［6-8］。

但在实际工程中，基坑开挖卸载对下方既有盾构隧道的影响是一个复杂问题［9-10］。由于诸多限制因素，许多基坑开挖卸载对下方既有盾构隧道的研究大都采用了二维条件下的模拟。因此，本研究选取某城市地铁隧道、地铁车站附近的基坑开挖工程为研究对象，通过现场实测土体参数和室内原位土剪切试验及固结试验，获得土体的基本情况。同时，结合Midas 数值模拟软件，分析基坑开挖卸载对下方既有盾构隧道的影响机理和规律，并对实测数据和数值模拟结果进行对比和分析。

1 工程概况

1.1 分析对象与南昌市轨道4 号线车站以及其他区间的位置关系

1.1.1 新建江纺路雨污水管道与民火区间位置关系。本工程为江纺路雨污水管道与南昌市轨道4 号线民园路西站至火炬站盾构区间（以下简称“民火区间“），包括平行段和相交段。平行段为江纺路箱涵桥以东约200 m 范围内，北侧污水管外壁与地铁隧道外壁最小平面距离为0.81 m，其他管道也有相应距离。相交段共有3 处，分别为1#、2#、3#相交处，位置关系见表1。

表1 江纺路雨污水管涵与民火区间具体位置关系

1.1.2 新建民园路雨水箱涵与民火区间位置关系。新建民园路雨水箱涵布置在道路南、北侧非机动车道下，与地铁4 号线隧道共有2 处相交，位置关系见表2。

表2 民园路雨水箱涵与地铁盾构区间具体位置关系

1.1.3 新建民园路雨水箱涵与火炬站之间关系。火炬站主体位于现状民园路下，车站主体结构外底标高为-0.418 m，外顶标高为15.082 m。本次新建雨水箱涵外壁距离火炬站主体结构外壁最小为11.45 m，距离火炬站2 号出入口结构外壁最小为9.97 m，本段箱涵内底标高为14.72～14.80 m。民园路（科技大道～高新大道）段新建雨水箱涵均采用钢板桩支护开挖。

1.2 工程地质概况

工程建设场地土层按其岩性及工程特性，自上而下依次划分为①-1 杂填土、②-1 淤泥、③-1 粉质黏土、③-2 细砂、③-3 中砂、③-4 粗砂、③-5 砾砂及⑤泥质粉质岩。通过对土层进行原位取样，开展室内剪切试验、固结试验、渗透试验等，测得各层位原位土室内试验结果及土体物理力学参数见表3。

2 基坑开挖对邻近地铁结构影响的数值模拟

2.1 计算软件

本研究采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件Midas∕GTS NX。施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果，即上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响到后续阶段的分析结果。

2.2 材料本构关系

为了研究施工过程中各结构构件的荷载效应，以便指导设计，本次分析土体材料本构模型取用修正的莫尔-库伦（Modified Mohr-Coulomb）弹塑性模型，结构材料按线弹性模型考虑。

土体修正的莫尔-库伦本构是在莫尔-库伦（Mohr-Coulomb）本构基础上改善的本构模型，适用于各种类型的地基，特别适用于有摩擦特性的材料。修正的莫尔-库伦本构用于模拟具有幂率关系的非线性弹性模型和弹塑性模型的组合模型。如图1 所示，修正的莫尔-库伦本构的剪切屈服面与莫尔-库伦本构的屈服面相同，压缩屈服面为椭圆形的帽子本构。另外，修正的莫尔-库伦本构的剪切屈服面与压缩屈服面分别独立，在剪切方向和压缩方向采用了双硬化模型（Double Hardening）。

图1 修正莫尔-库伦本构模型p-q平面

莫尔-库伦本构的偏平面形状为六边形，在计算顶点的塑应变方向时需要采用特别的数值计算方法。但是，如图2 所示，修正的莫尔-库伦本构为了消除分析过程中的不稳定因素，偏平面采用了圆角处理，使计算的收敛性更好。修正的莫尔-库伦本构模型在p-q平面上采用了相关流动法则，在偏平面上采用了非关联流动法则。另外，如图2 所示，使用Δp值，移动剪切屈服面可以反映莫尔—库伦本构的黏聚力效果。

图2 修正莫尔-库伦本构模型偏平面

2.3 模型参数的确定

土层材料及结构材料属性见表4、表5。

表4 土层材料属性

表5 结构材料属性

2.4 边界条件

该工程雨污水管涵采用明挖法施工，基坑范围内采用分层开挖，计算模型范围以外轮廓为基准、外扩一定距离后而建立。有限元模型边界条件为模型侧面边界固定水平位移，底部边界固定竖向位移，上部边界为地表自由面。

2.5 计算工况及研究思路

有限元模型中，采用二维平面应变单元模拟地层，采用一维梁单元模拟管片等结构，混凝土结构和钢板桩构件采用线弹性模型，结构特性见表6。

现有的工业互联网平台，尽管水平参差不齐，各有千秋，但是至少初心都是好的，都是想为工业转型升级贡献力量，顺便争取一点研发经费。

表6 结构特性

根据该工程雨污水管与邻近地铁结构立体关系及施工特点，对该项目的施工全过程进行模拟，施工工序见表7。

表7 施工工序

3 明挖基坑对地铁盾构区间和车站的影响分析

3.1 江纺路雨污水管涵施工对民火区间的影响分析

3.1.1 数值模拟。江纺路新建雨、污水管道和箱涵采用共沟放坡开挖，分析的计算模型包括了基坑开挖、卸载、邻近区间隧道等，概化的模型及网格剖分如图3 所示。雨、污水管放坡开挖的步骤模型示意如图4所示。

图3 计算模型示意（模型尺寸77 m×30 m）

图4 邻近地铁区间雨污水管施工数值模拟过程

3.1.2 计算结果。雨水箱涵明挖施工整体位移计算结果如图5 所示。结果表明，雨水箱涵施工开挖时右侧水平位移最大，且随着开挖深度越深水平位移越小；竖向位移最大值并未发生在基坑底部，而是在上方一定位置处，管涵开挖结束时水平最大位移为5.05 mm，竖向最大位移为20.03 mm。

图5 管道明挖施工整体位移云图（单位：m）

该工程雨污水管道施工邻近地铁隧道，考虑管涵开挖过程中对隧道结构稳定存在影响，模拟探讨了施工对区间隧道结构的变形影响，其结果如图6所示。由图6 可知，位于管涵施工左侧的地铁隧道受到的影响最大，其最大水平位移发生在其左侧，其位移为2.11 mm。最小水平位移发生在其右侧，其位移为0.33 mm。最大竖向位移发生在其右上方，其位移为3.40 mm。由计算结果可知，民火区间最大水平位移约为2.11 mm，最大竖向位移约为3.40 mm，根据《地铁设计规范》［11］，地铁区间施工位移控制在10 mm内，满足区间隧道对变形保护的要求。