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摘要：以长沙地铁麓云路站～文化艺术中心站区间为背景，采用Flac 3D有限元软件分析周边项目基坑开挖对区间隧道的影响，结合数值模拟结果分析基坑开挖时，隧道的受力，变形情况。数值计算结果表明，周边项目基坑开挖对隧道是安全的，同时证明周边基坑的现支护方案是可行的。
1.工程概况
麓云路站～文化艺术中心站区间西起麓云路站，东至文化艺术中心站，为长沙大河西先导区雷梅片区地下配套交通一期工程的西段第二个区间。本区间现状场地地貌规划梅溪湖道路，道路基本形成，路面较平坦。区间侧穿中建梅溪湖中心二期建设项目，地下室边线距离区间隧道平面约17.99~22.52m。1~4栋基坑西侧与区间隧道平面最近距离约15.05~20.57m。考虑到基坑开挖卸载必然会引起坑底地层的变形，甚至可能会对地铁区间隧道结构产生不利影响。为确保施工安全，对基坑开挖对地铁隧道造成的影响进行数值模拟分析是十分必要的。
2.工程地质条件
本工程场地内覆盖层厚度约为1.10-13.10m，按自上而下依次为①素填土、②耕土、③粉质粘土、④粉细砂、⑤残积粉质粘土、⑥元古界板溪群板岩。场地内地下水主要有孔隙水、基岩裂隙水两大类。地铁2号线区间隧道在该工程范围内隧道顶埋深约10.9~13.35m，穿越地层均为中风化板岩。
中建梅溪湖中心二期建设项目基坑开挖范围土体主要为填土与粉质黏土。后期回筑建筑物为群桩基础，桩型为钻孔桩，受力类型为摩擦端承桩，地下室底板处位于粉质黏土层，桩端持力层为中风化板岩。
3.有限元分析
3.1有限元分析软件选取
三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，它可以模拟岩石或土体及其他材料的三维力学行为。此方法在分析中将计算区域离散为若干六面体单元，每个单元在给定的边界条件下遵循一定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料的变形而变形。三维快速拉格朗日分析采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。故该工程拟采用Flac3D软件进行数值模拟分析。
3.2基本思路
长沙地铁2号线西延线已经建成一段时间，但修建时造成的施工扰动已经使围岩应力状态发生了变化，为了得到目前隧道围岩和管片的应力场，有必要对隧道开挖过程进行模拟。模拟的基本思路为：模型建立完毕后，首先进行初始地应力场模拟，然后进行区间隧道的开挖模拟，得到目前的应力场，按照设计要求，先放坡开挖基坑，再在基坑坡面打设土钉和喷射混凝土。
3.3模型建立
图3.3.1所示为2号线西沿线区间隧道与开挖基坑的相对位置关系，考虑边界条件的影响，模型大小为宽35m×高52m×长1m，对此不利工况进行基坑开挖对既有地铁区间隧道的影响的模拟计算。数值分析模型如图3.3.2所示，模型共有2970个zones和4112个grid-points组成。
注：本次模拟采用摩尔库伦模型，土体弹性模量采用变形模量替代。
3.4计算结果及分析
3.4.1位移分析
计算时，首先进行初始地应力平衡，分析结果地层固结沉降较大，达到了19mm。然后对隧道开挖前的初始应力状态进行了位移清零操作。同时对隧道拱顶、拱底和拱腰分部建立竖向位移监测点，得到出隧道开挖及支护后，拱顶沉降仅有0.6mm，拱底隆起0.7mm，隧道正上方地表沉降不到0.2mm。从地层位移来看，隧道开挖对围岩扰动较小。在隧道开挖后的模型基础上对基坑进行放坡开挖模拟。对隧道开挖后引起的变形清零，同时继续对隧道拱顶、拱底、拱腰处布置监测点，进行监测。从图3.4.1、3.4.2可以看出基坑开挖引起隧道的变形较小，竖向位移最大发生在拱顶，仅0.1mm；水平位移最大位移发生在拱腰位置，仅0.35mm。
3.4.2应力分析
从图3.4.2可以看出，在隧道周边，地层竖向应力有一定的变化，说明隧道的施工对地层已经造成了一定的扰动，随着时间的推移，围岩应力已经完成了应力重分布。基坑开挖后，地层竖向应力分布如图3.4.1所示,从图中可以看出，基坑开挖后，隧道最大竖向应力仍出现在拱腰位置，最大值由-2.51MPa减小到-2.49MPa，负值表示压应力。这是由于基坑开挖相当于在隧道右上方进行卸载，导致隧道竖向应力减小。
4..结论及分析
根据数值模拟结果得出以下主要结论：
1、隧道在开挖时，由于地应力的释放，初始应力破坏，隧道发生变形并达到稳定。基坑的开挖，对隧道变形产生了一定的影响，基坑开挖引起的隧道竖向位移最大值为0.1mm,发生在拱顶；水平位移最大位移发生在拱腰位置，仅0.35mm。同时由于基坑的开挖，导致隧道变形分布不对称。
2、在隧道施工之前，土层应力处于平衡状态，随着隧道的开挖，应力重分布，并达到第二次平衡。基坑开挖后，隧道最大竖向应力仍出现在拱腰位置。隧道最大水平应力出现在拱顶偏右位置。这是由于基坑开挖相当于在隧道右上方进行卸载，导致隧道应力减小。同时由于基坑的开挖，导致隧道应力出现不对称分布。
3、从以上位移场和应力场分析结果可以得出，基坑开挖对隧道的变形及受力的影响是有限的，本段基坑开挖时，隧道是安全的。
参考文献
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4.刘建航，候学渊主编.基坑工程手册.北京：中国建筑工业出版社，1997.75~321.
论文作者:唐梦芸
论文发表刊物:《基层建设》2017年2期
论文发表时间:2017/4/17
标签：基坑论文; 隧道论文; 应力论文; 位移论文; 区间论文; 拱顶论文; 地层论文; 《基层建设》2017年2期论文;