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《四川建筑科學(xué)研究雜志》2014年第三期

1三維數(shù)值仿真模擬

1．1數(shù)值計算模型基坑開挖卸荷引起周圍土體應(yīng)力狀態(tài)改變，從而造成對臨近既有區(qū)間隧道的影響。為減小開挖引起的影響，針對基坑內(nèi)土體按照“分層分塊”的分步開挖方案。建立三維數(shù)值仿真模型，模擬了全區(qū)域的開挖及全部施工過程，進(jìn)行全過程的精細(xì)數(shù)值仿真研究，研究分層分塊的開挖方案是否能夠保證隧道變形在控制范圍內(nèi)。采用大型通用有限軟件MIDAS/GTSV260建立全區(qū)域的三維數(shù)值仿真模型，如圖3～5所示。計算模型土層總厚度(模型Z方向)取為70m，土體水平寬度(模型Y方向)取為150m，土體水平長度(模型X方向)取為350m，該模型共有23505個單元，14069個節(jié)點。三維數(shù)值仿真模型中，上表面為自由邊界，其余5個表面均為位移邊界條件，其法向位移約束為0值。對巖土體采用線彈性-理想塑性的Mohr-Cou-lomb模型進(jìn)行模擬。巖土體屈服前，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從線彈性關(guān)系;一旦發(fā)生剪切或拉伸屈服，巖土體將進(jìn)入塑性流動階段。采用正交流動法則，不模擬巖土體的剪脹效應(yīng)。理想塑性Mohr-Coulomb模型的屈服函數(shù)表達(dá)。式中，σ1、σ3分別是最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力;c、φ分別是內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)fs＞0時，材料將發(fā)生剪切破壞。對地連墻、支撐體系和區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)，采用線彈性模型進(jìn)行模擬。

1．2本構(gòu)模型參數(shù)地連墻、支撐體系、隧道結(jié)構(gòu)混凝土強度C30，彈性模量Ec=30MPa。土體強度指標(biāo)與滲透系數(shù)參考地質(zhì)報告取值見表1，各類土的變形模量考慮應(yīng)力路徑的影響，取卸荷模量:根據(jù)劉國彬?qū)ι虾ｏ柡蛙浾惩痢⒃o對杭州粘土、張文慧對南京粉質(zhì)粘土以及胡琦對杭州砂質(zhì)粉土的應(yīng)力路徑試驗分析，坑內(nèi)外土體應(yīng)力路徑影響系數(shù)見表2。

1．3數(shù)值仿真步驟基坑內(nèi)土體豎向分四層開挖，每層分10塊進(jìn)行土方開挖施工。三維數(shù)值仿真過程為:①生成初始地應(yīng)力場，位移清零;②施作盾構(gòu)區(qū)間隧道，位移清零;③圍護(hù)結(jié)構(gòu)和冠梁的施工模擬，位移清零;④按照土方開挖過程，首先開挖第一層土層的土塊1和土塊2，施工此處腰梁和支撐體系，然后按照土塊編號2～10的順序分別開挖土塊和施工腰梁、支撐體系。同理，順序開挖第二～四層內(nèi)土塊。

1．4計算結(jié)果分析基坑土體分層分塊每一工況下，區(qū)間隧道水平變形和沉降最大值計算結(jié)果見表3。從表3可以看出，隧道水平變形最大4.6mm，沉降最大4.9mm，兩者均隨分層土層的開挖逐漸增大，這是由于隧道受基坑卸荷效應(yīng)影響逐漸增大所造成的。限于篇幅，僅給出基坑分層分塊完成對應(yīng)的土體和隧道變形云圖，如圖6～9所示，對應(yīng)工況下的地連墻和支撐體系水平變形分別如圖10～11所示。可以看出，基坑周邊土體隨土層分層分塊的開挖，其水平變形和沉降逐漸增加，隧道的水平變形隨著基坑的距離減小而增大。基坑土體全部開挖完成，地連墻最大水平變形7.3mm，基坑周邊土體沉降11.4mm。

2結(jié)論

結(jié)合工程實例，按照工程實際施工方案，運用MIDAS/GTS三維仿真分析，建立基坑與隧道相互作用的三維模型，分析得到以下結(jié)論:1)基坑土體開挖過程中，隧道水平變形最大4.6mm，沉降最大4.9mm，滿足既有區(qū)間隧道的安全運營要求;2)根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》，周圍建筑物對既有隧道變形曲線的曲率半徑R≥15000m，經(jīng)計算R=20500m，可見基坑開挖引起的隧道變形在控制范圍內(nèi);3)根據(jù)本文分析結(jié)果，86-2地塊基坑分層分塊的開挖方案是可行的，研究方法和結(jié)果可供類似工程提供參考。

作者：申文明單位：中鐵二院華東勘察設(shè)計有限責(zé)任公司