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基坑开挖对地铁隧道的影响范文

时间:2022-09-04 10:35:27

基坑开挖对地铁隧道的影响

《四川建筑科学研究杂志》2014年第三期

1三维数值仿真模拟

1.1数值计算模型基坑开挖卸荷引起周围土体应力状态改变,从而造成对临近既有区间隧道的影响。为减小开挖引起的影响,针对基坑内土体按照“分层分块”的分步开挖方案。建立三维数值仿真模型,模拟了全区域的开挖及全部施工过程,进行全过程的精细数值仿真研究,研究分层分块的开挖方案是否能够保证隧道变形在控制范围内。采用大型通用有限软件MIDAS/GTSV260建立全区域的三维数值仿真模型,如图3~5所示。计算模型土层总厚度(模型Z方向)取为70m,土体水平宽度(模型Y方向)取为150m,土体水平长度(模型X方向)取为350m,该模型共有23505个单元,14069个节点。三维数值仿真模型中,上表面为自由边界,其余5个表面均为位移边界条件,其法向位移约束为0值。对岩土体采用线弹性-理想塑性的Mohr-Cou-lomb模型进行模拟。岩土体屈服前,其应力应变关系服从线弹性关系;一旦发生剪切或拉伸屈服,岩土体将进入塑性流动阶段。采用正交流动法则,不模拟岩土体的剪胀效应。理想塑性Mohr-Coulomb模型的屈服函数表达。式中,σ1、σ3分别是最大主应力和最小主应力;c、φ分别是内聚力和内摩擦角。当fs>0时,材料将发生剪切破坏。对地连墙、支撑体系和区间隧道结构,采用线弹性模型进行模拟。

1.2本构模型参数地连墙、支撑体系、隧道结构混凝土强度C30,弹性模量Ec=30MPa。土体强度指标与渗透系数参考地质报告取值见表1,各类土的变形模量考虑应力路径的影响,取卸荷模量:根据刘国彬对上海饱和软粘土、袁静对杭州粘土、张文慧对南京粉质粘土以及胡琦对杭州砂质粉土的应力路径试验分析,坑内外土体应力路径影响系数见表2。

1.3数值仿真步骤基坑内土体竖向分四层开挖,每层分10块进行土方开挖施工。三维数值仿真过程为:①生成初始地应力场,位移清零;②施作盾构区间隧道,位移清零;③围护结构和冠梁的施工模拟,位移清零;④按照土方开挖过程,首先开挖第一层土层的土块1和土块2,施工此处腰梁和支撑体系,然后按照土块编号2~10的顺序分别开挖土块和施工腰梁、支撑体系。同理,顺序开挖第二~四层内土块。

1.4计算结果分析基坑土体分层分块每一工况下,区间隧道水平变形和沉降最大值计算结果见表3。从表3可以看出,隧道水平变形最大4.6mm,沉降最大4.9mm,两者均随分层土层的开挖逐渐增大,这是由于隧道受基坑卸荷效应影响逐渐增大所造成的。限于篇幅,仅给出基坑分层分块完成对应的土体和隧道变形云图,如图6~9所示,对应工况下的地连墙和支撑体系水平变形分别如图10~11所示。可以看出,基坑周边土体随土层分层分块的开挖,其水平变形和沉降逐渐增加,隧道的水平变形随着基坑的距离减小而增大。基坑土体全部开挖完成,地连墙最大水平变形7.3mm,基坑周边土体沉降11.4mm。

2结论

结合工程实例,按照工程实际施工方案,运用MIDAS/GTS三维仿真分析,建立基坑与隧道相互作用的三维模型,分析得到以下结论:1)基坑土体开挖过程中,隧道水平变形最大4.6mm,沉降最大4.9mm,满足既有区间隧道的安全运营要求;2)根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》,周围建筑物对既有隧道变形曲线的曲率半径R≥15000m,经计算R=20500m,可见基坑开挖引起的隧道变形在控制范围内;3)根据本文分析结果,86-2地块基坑分层分块的开挖方案是可行的,研究方法和结果可供类似工程提供参考。

作者:申文明单位:中铁二院华东勘察设计有限责任公司

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