中铁合肥建筑市政工程设计研究院有限公司 安徽合肥 23001
摘要：伴随着我国社会经济建设的不断发展，地铁大量建设。就不得忽视建筑基坑开挖对既有地铁结构变形影响。如果建筑基坑开挖对既有地铁结构变形影响研究不深入，设计、施工若是出现问题，那么不仅会对基坑自身的安全造成巨大危害，还会在某种程度上对于临近的地铁结构、建筑设施、道路桥梁等方面产生不可估量的影响，甚至有可能导致垮塌，严重影响施工人员生命安全。本文将通过基坑工程的影响机理及因素、基坑对既有地铁结构变形监测技术、ANSYS 有限元数值模拟分析法这三个方面来重点阐述。
关键词：基坑工程；地铁结构；结构变形；影响研究
引言
随着实践累积和理论的不断进步，基坑工程对既有地铁结构变形影响的研究。设计施工逐渐趋于成熟。但是基坑的实际施工所受到的环境影响是不能够避免的，尤其是在施工过程中会导致周围环境的变化，严重时会危及基坑与临近地铁结构的稳定安全性。
1对既有地铁结构变形影响机理及因素
建筑基坑开挖包含基坑降止水、基坑支护、土方开挖与回填等技术方案与施工。
1.1对既有地铁结构变形影响机理
在建筑基坑开挖施工过程中，因为支撑体（拆除角撑、对撑）和围护体（比如：地下连续墙）的施工，所以基坑开挖会造成土体释放应力、因为卸荷产生不平衡力，这样就造成基坑工程围护结构发生侧向形变、基坑工程坑底土体隆起；不仅如此，在雨季，可能由于大量降雨引发引起基坑开挖周边地层应变和应力发生变化，进一步造成对临近地铁结构的内力变化，影响临近地铁结构。
1.2对既有地铁结构变形影响因素
既有的地铁结构和基坑开挖工程结构这两个方面因素，都会造成既有地铁结构的变形影响。具体的说包含：①基坑开挖工程的开挖深度和开挖平面尺寸大小、②基坑工程的加固形式区别、③基坑开挖工程的围护体系类别、④基坑土方工程开挖形式和开挖顺序、⑤基坑工程与地铁结构的水平、竖向的相对位置⑥基坑开挖工程的降止水方式区别、⑦基坑开挖工程的工程施工质量、⑧地铁隧道结构尺寸以及刚度等等因素。
2 基坑对既有地铁结构变形监测技术
竖向位移监测。该监测技术是可以使用多种集合水准等方法，对于基坑底回弹区域所采用的设置回弹监测标，与此同时充分利用几何水准并配合传递高程的辅助设备进行实际的监测，然后在进行竖向位移监测期间中，特别注意测量其精度，这样能够在一定程度上确保深基坑的监测结果的可靠性以及真实性。
水平位移监测。该方式主要是通过视准线法，投点法，这两种方法是可以对特定方向上的水平位移进行测定，然后通过前方自由设站法和交汇法等方法去对任意方向所测量的监测点水平位移进行实际数据测定；在当基准点距离基坑相对较远期间，还可以充分采用GPS测量法以及三边以及三角测量和准基线相结合的综合测量。水平位移监测基准点还需要安装在基坑开挖深度的三倍范围之外并且不受到现场施工的影响稳定性的区域当中，这样也可以充分利用现有较为稳定的控制点去进行实际的监测，这样能够避免把基准点埋设在低洼积水和膨胀点那个地区的实际影响范围中。为了能够更近一步的提高测量的准确度，还需要去增加测绘数值的测量。在实际测角操作中的仪器设备必须要对照误差以及调焦误差的实际影响进行操作，在一定程度上能够对气泡进行严格的剧中，并且在选择上要选择良好的观测条件，这样能够保障其准确度。
深层水平位移监测。该监测技术主要是适用在围护墙体或者是基坑周围土体的深层水平位移监测工作当中，在一定程度上还需要采取土体或者是墙体中去预先买下测斜管的方式，来进行现场的监测深度位置的水平位移情况，然后对该情况进行数据分析。通过该方法是可以快速的监测出深层水平位移的具体情况，这样能够为深层施工所提供的具体土体或者是墙体情况。在实际进行土体和墙体预埋测斜管时，还需要对预埋的位置进行选择，在位置选择过程中，必须要严格按照相应的标准，不能随意选择，从而避免把测斜管所预埋在有影响较大以及干扰源较近的地方，这样能够防止影响实际监测的数据结果显示。
地下水位监测。该监测方式主要是采用水位计进行的实际测量。其精密度是不会低于十毫米的。根据对不同的监测目的，将水位紧挨内侧孔位安装在具有代表性的地理位置，这样能够在一定程度上全面的反映出实际监测项目的工程环境以及地下水位分布。然后要每间隔一段时间去检查水位孔的可靠性和稳定性，并且要注意针对不同渗透性土层的实用性进行分析。
通过以上基坑对既有地铁结构变形监测技术：建筑施工单位可以根据所检测的实时数据对于现场施工进行相应的调整，这样更能够减少对既有地铁结构的影响。
3 ANSYS 有限元数值模拟分析法
3.1 ANSYS 有限元软件简介
ANSYS 有限元软件是一种有限元分析软件，它是研究流体分析、结构分析、电磁分析等方面，通常应用于水利工程、国防航空、土木工程、铁路地铁、石油工业、核工业、电子工业等等各个行业。
当前，ANSYS有限元软件作为土木工程CAE仿真分析软件主流，在地下建筑工程、钢筋砼结构、大坝桥梁等大型工程运用广泛。能够全面分析结构在多种外荷载的作用下，自身结构的稳定性、变形受力等。提出了更好的分析方案，有效的解决了各种结构受力、变形、稳定性的问题。比如：国家大剧院、鸟巢等工程都运用了ANSYS有限元软件。
3.2分析模拟材料
在对基坑开挖工程模拟时候，首先设置工程围护结构和周边土体。比如可以首先建立三维有限元模型，采用SOLID45 三维结构单元，每个单元拥有八个不同的节点，建立X轴、Y轴、Z轴三维坐标系。并且在基坑的开挖过程中让每个节点具有土层的如蠕变性、塑性等性质，如图1所示：
图2：LINK8 三维单元形状示意图
排桩使用的是含有三个节点的Beam4三维结构单元，这三个节点都具有X轴、Y轴、Z轴3个方向的延伸自由度和旋转自由度，它的形状如下图3所示：
图4：SHELL63三维单元形状示意图
3.2接触面分析
由于各个基坑开挖的情况不同导致它的支护形式产生不同；再加上土体性质不同，它的变形模量差异性很大。这两个方面因素使得土体接触面和围护结构之间发生很大的剪应力。通常来说我们有两种情况设定：第一，如果它们之间的接触面足够光滑，那么它们的接触面之间不会产生新的切应力；第二，如果它们之间的接触面不够光滑，比较粗糙。那么它们无法发生相对移动。这两种状态偏理想化，为了充分论证接触面实际受力，可以采用特殊的接触单元来进行分析。ANSYS 软件将土体表面设为接触面，如图5所示：
（其中：J2—应力偏量的第二不变量；I1 —应力张量的第一个不变量）
ANSYS 中的 D-P 准则是通过输入φ和c值来实现的，只需知道一组材料的φ值和c值，将其输入到 ANSYS 模型中就能得到相应的屈服准则，在 ANSYS 软件中就能很方便的建立本构关系模型。
4 结束语
综上所述，基坑工程不仅会引起地面的沉降，在一定程度上引发管涌和流沙，从而直接导致基坑周围的边坡和支护结构的破坏，容易引起地面坍塌等事故的出现。所以在一定程度上去丰富完善基坑工程所引发周围环境变化的危险性评估理论与实践，这对于基坑开挖对既有地铁结构变形影响的研究有着极为重要的意义。
参考文献：
[1]盛骁.基坑开挖影响既有临近隨道变形与稳定性研究[D].西安科技大学，2017.
[2]石钰锋，方焘，王海龙，等.基坑开挖引起紧邻地铁隧道力学响应与处理方案研究[J].铁道科学与工程学报，2016，13（6）：1100-1107.
论文作者:石楷锋
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第22期
论文发表时间:2019/5/29
标签：基坑论文; 结构论文; 地铁论文; 工程论文; 位移论文; 接触面论文; 应力论文; 《建筑细部》2018年第22期论文;