地铁隧道穿越浅基础建筑的沉降预测与控制技术.pdf

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1、轨道交通与地下工程地铁隧道穿越浅基础建筑的沉降预测与控制技术闫须行（中铁十八局集团有限公司，天津300350）摘要：地铁隧道在穿越浅基础建筑时，极易对地表构筑物，特别是整体性较差的砌体构筑物造成沉降破坏。通过ABAQUS有限元软件建立基于Mohr-Coulomb理论的隧道二维模型，分析对比隧道开挖过程中2种初期支护工况下的地表沉降规律。通过数值计算显示，支护强度的提升能有效地控制浅基础建筑地表沉降，隧道洞身的变形也得到了有效的控制。关键词：隧道；浅基础；地表沉降；控制技术；有限元中图分类号：U4

2、56.3文献标志码：B文章编号：1009-7767（2015）05-0093-05SettlementPredictionandControlTechniquesofSubwayTunnelingCrossingShallowFoundationBuildingsYanXuxing地铁作为一种在城市地下运行的轨道交通工具，不可避免地要穿越地表建筑物。在地铁隧道建造过程中，地下土体的掏空、机械振动、施工扰动以及爆破都可能会对地表建筑物造成影响，其破坏形式表现为地表建筑物的整体下沉、不均匀沉降、拉裂

3、破坏等。这种影响和隧道埋深有着较大的关系，当地铁隧道埋深较大时，影响较小；当地铁隧道埋深较小时，影响较大。因此，研究浅埋隧道穿越浅基础建筑时的地表沉降以及[1-4]隧道开挖的变形规律显得尤为重要。首先在ABAQUS软件中建立隧道的二维模型，然图1隧道开挖断面尺寸（cm）后采用Mohr-Coulomb模型，分别模拟素混凝土初支和钢拱架初支2种工况，对比分析地表的沉降变化及隧道洞身的变形。1模型及基本参数1.1模型基本尺寸隧道的开挖断面尺寸如图1所示。隧道开挖断面拱顶距离地表埋深为10m，初期支护混

4、凝土厚25cm，基底设置临时仰拱。Mohr-Coulomb模型屈服面（如图2所示）本身存在尖角，如果采用相关联的流动法则（即塑性势面与图2Mohr-Coulomb模型中的屈服面屈服面相同），将会在尖角处出现塑性流动方向不是唯一的现象，导致数值计算繁琐、收敛缓慢。为了避采用连续光滑椭圆函数作为塑性势面，其形状如图3免该问题出现，在ABAQUS中对塑性势面做了修正，所示。轨道交通与地下工程图3Mohr-Coulomb模型中的塑性势面[5-6]函数公式如下：22G=姨（εc

5、0tanψ）+（Rmwq）

6、-ptanψ。式中：ψ为剪胀角；c

7、0为初始黏聚力；ε为子午面上的偏图4隧道二维模型心率，它控制了函数G在子午面上的形状与函数渐近线之间的相似度，ABAQUS中默认值为0.1；Rmw（Θ，e，φ）则控制函数G在π平面上的形状；p为平均主应力；q为广义剪应力。2224（1-e）cosΘ+（2e-1）Rmw=·22222（1-e）cosΘ+（2e-1）姨4（1-e）（cosΘ）+5e-4eπRmw姨，φ姨。3式中：e是π平面上的偏心率，主要控制π平面上Θ=0～π/3的塑性势面的形状。默认值由下式计算

8、：图5初支结构3-sinφe=。2种初支方案的参数具体如表2所示。3+sinφ隧道地层及剑桥模型参数如表1所示。表2混凝土及钢拱架参数表1地层及剑桥模型参数名称材料规格弹性模量/GPa泊松比素混凝土20cmC25混凝土250.20单层层天然重度/弹性模泊松黏聚力/内摩擦土层名称钢拱架I120b型钢钢架2400.18厚/m（kN/m3）量/MPa比kPa角/（°）杂填土318.640.30320上述模型为对称模型，因此建模时取模型的一半，粉质黏土620150.263816模型及网格如图6所示。强风

9、化泥岩822600.2215019中风化泥岩11252700.2120028微风化泥岩4025.720000.20500311.2隧道有限元模型建立建立长80m，宽68m的隧道模型。隧道上方作用4层砖混建筑物，建筑物的作用荷载在二维模型中处理为60kN/m（每层线荷载15kN/m）的线荷载，作用宽度为13m。隧道及衬砌体二维模型如图4、5所示。由于隧洞本身为多段圆弧拼接而成，在ABAQUS中直接建模有诸多不便，因而建模时先在CAD中建立模型，然后向ABAQUS的sketch模块导入DXF格式的草

10、图，完成模型的建立。图6隧道模型及支撑网格轨道交通与地下工程建立隧道初支结构和洞壁之间的tie约束（初支结构和与其相接触的洞壁的网格节点数在初期建模时设置为一样，这样有利于建立节点-节点之间的tie约束），如图7所示。图9素混凝土初支时模型竖向位移图（形变放大500倍，m）图7隧道与初支结构的约束2结果及分析2.1隧道开挖及应力云图建立隧道开挖部分土体的杀死以及初支单元的杀死和激活。在分析步分别建立地应力平衡分析步、隧洞土体移除分析步、初支结构单元激活分析步，荷载设[5]置土体自重以及建筑物作用