地铁隧道上方基坑开挖的有限元分析

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1、第26卷第7期甘肃科技lf．26Ⅳ0．72010年4月GansuScienceandTechnolApr．2010地铁隧道上方基坑开挖的有限元分析赵启嘉(广州地铁设计研究院有限公司，广东深圳518040)摘要：随着城市发展和地下空间开发，越来越多基坑工程横跨在地铁隧道上方。而基坑开挖将改变周围土体的应力状态，使下卧隧道产生相应变形和内力，影响隧道的正常使用和地铁的安全。以深圳某横跨隧道上方的基坑工程为背景，通过三维有限元分析，对加固土体、设置抗拔桩、开挖分块等措施对基坑回弹和隧道隆起的影响，进行分析研究，为优化设计和施工提供有益的参考。关键词：基坑开挖；有限元方法；地铁隧道；隆起中图分类号：

2、TU753随着城市发展和地下空间开发，地铁车站、区间2有限元计算与分析隧道和地下建筑物之间的相互影响越来越多。以深圳某横跨隧道上方的基坑工程为背景，通过三维有利用ANSYS有限元分析软件，在合理的计算区限元分析，对加固土体、设置抗拔桩、开挖分块等措域内，利用有限元单位来模拟实际工程，为了计算方施对基坑回弹和隧道隆起的影响，进行分析研究，为便，在理论允许的条件下进行了简化。优化设计和施工提供有益的参考。2．1模型单元有限元单位选择了壳单元(SHELL63)、实体单1工程概况元(SOLID45)以及接触单元(TARGET170)。在计研究的基坑工程位于地铁二号线上方，为地下算过程中利用实体单元(

3、SOLID45，线弹性八节点等人行过街通道基坑结构。基坑底与隧道外轮廓最小参单元)来模拟土体，围护墙体，桩体。用不同的材料性质(弹性模量，泊松比)来区别不同性质的土体净距为1．3m，如图1所示。根据工程地质勘察报(加固的土体，加固范围下方的土体，坑外的土体)，告，场地土层由上至下依次为杂填土、砾质粘土、全墙体及桩体；对于围护结构与土体之间，桩与土体之风化花岗岩、强风化花岗岩以及中风化花岗岩，其中间的接触，采用接触单元来模拟。同时为了减少计隧道位于砾质粘土中。由于基坑底距离隧道很小，算量，计算范围在两侧边界处取三倍的开挖深度，而因此如何在基坑开挖过程以及后续长期运营中保护下方边界由于抗拔桩的缘

4、故取3倍挡墙深度，如图地铁隧道安全，是本工程需要克服的最大难点。2所示。@＼＼＼^!堑丛!垄苎／图2模型计算范围示意2．2工况模拟基坑开挖引起的坑底回弹以及下方隧道的隆起，会随着基坑逐步开挖、卸荷而产生。根据实际开图1基坑隧道相对位置l14甘肃科技第26卷挖情况，为了分析隧道隆起，模拟了以下几种工况来度，摩擦系数这几个参数上，同时模拟抗拔桩的实体计算分析。单元SOLID45的弹性模量也是体现抗拔桩自身变工况1：整体开挖，调整反映加固效果的模型参形性能的一个重要参数。数，无抗拔桩；工况2：整体开挖，调整反映加固效果的模型参数，有抗拔桩；，、g工况3：三块开挖，有加固，有抗拔桩；皇＼／工况4：五

5、块开挖，有加固，有抗拔桩；2．3加固效果分析本工程可以采用的加固措施有井点降水、旋喷加固、搅拌桩加固等多种，为了比较不同基坑加固措lO一5o5j0施的效果对隧道隆起的影响，考虑调整土层参数来与坑l{J心线的水、f距离(m)反映不同加固强度和加固深度的效果，土的弹性模图5设抗拔桩后基坑坑底曲线量选择了40MP、60MP、80MP3种情况。从图3、图4分析比较得知，土层模量增加，对基坑回弹效果较明显，但对于隧道隆起则影响甚小，／、g原因在于土体加固区域仅在隧道上方，而隧道的回皇弹更大程度上受隧道下方土层影响。V^星0一1(}一5ob1O《与坑I}J心线的水、r距离(In)裂图6设抗拔桩后隧道隆起

6、量曲线从图5、图6分析比较得知，隧道处隆起变形受一1O一505lO到模量的影响要比工况一大很多，其中的原因在与与坑中心线的水距离(m)抗拔桩的作用，由于抗拔桩与周围土体的摩擦性能，图3基坑坑底回弹与加固关系曲线使得隧道上方土体加固的效果不只停留在加固区这一范围，其下方与抗拔桩相接触的土体也受到土体加固所带来的抑制回弹变形的作用。^2．5分块开挖效果分析昌量V分块开挖使得分块的底板与抗拔桩相连，后续土方开挖引起的土体回弹受到了很大的限制。而不同的分块类似于在地基梁上增加不同数目的弹性支点约束。一l0—505l()3结论与坑中心线的水平距离(m)地铁隧道上方基坑的土层加固对隧道隆起的抑图4隧道隆

7、起量与加固关系曲线制作用要靠抗拔桩来发挥，当设置抗拔桩时，由于抗2．4抗拔桩效果分析拔桩与周围土体的摩擦性能，使得隧道上方土体加抗拔桩在坑内土体开挖时能起到一定量“拉”固的效果不只停留在加固区这一范围，其下方与抗住坑下土体的回弹，从而有效减小隧道的隆起，建模拔桩相接触的土体也受到土体加固所带来的抑制回时考虑抗拔桩外围与四周土体建立接触单元，抗拔弹变形的作用。(下转第70页)桩性能的差别体现在接触单元的法向刚度