Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ ｉｎ Ａｒｅａｓ ｏｆ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 交通科技角经济 ２０１２年第３期（总第７１期） 市政工程基坑开挖对既有隧道影响有限元建模分析 袁绍勇 ，袁 萍 ，唐静 （１．中国二十冶集团有限公司，上海２０１９００；２． 四川建筑职业技术学院，四川德阳６１８０００） 摘要：由于城市对市政工程项目的需求与日俱增，市政工程项目中难免出现深基坑开挖施工，容易对城市既有沟 槽管线造成附加应力，使既有项目产生拉裂等事故。结合工程实践，采用三维有限元方法，分析基坑开挖对坑底已 建隧道的影响，包括数值分析的模型网格划分、模型力学参数及单元类型选择和开挖进程模拟及监测面设置。分析 结果表明，处于坑底中心的隧道，其横截面在基坑开挖过程的最大直径改变发生在竖向与水平向，竖向伸长，水平向 压缩。处于坑底靠近地连墙的隧道，绕垂直轴向在坑内旋转一定的角度。 关键词：深基坑开挖；既有隧道；数值模拟 中图分类号：ＴＵ７５３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—５６９６（２０１２）０３—００５３ ０３ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｅｐ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｉｔ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｅｘｉｓｔｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌ ｂｙ Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ ＹＵＡＮ Ｓｈａｏ—ｙｏｎｇ ，ＹＵＡＮ Ｐｉｎｇ ，ＴＡＮＧ Ｊ ｉｎｇ （１．Ｃｈｉｎａ ＭＣＣ２０ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐ．，Ｉ￣ＴＤ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１９００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｒｃｈ．Ｔｅｃｈ．，Ｄｅｙａｎｇ ６１８０００，Ｓｉ ｃｈｕａｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ ｔｈｅ ｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｐｕｂｌｉｃ ｗｏｒｋｓ ｐｒｏｊ ｅｃｔｓ，ｐｕｂｌｉｃ ｗｏｒｋｓ ｐｒｏｊ ｅｃｔｓ ｗｉｌｌ ｉｎｅｖｉｔａ— ｂｌｙ ｌｅａｄ ｔｏ ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｔｒｅｎｃｈ ｌｉｎｅｓ ｏｆ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｃｉｔｙ ｉｓ ｅａｓｙ ｔｏ ｃａｕｓｅ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ，ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｒｕｐｔｕｒｅ ｏｆ ｂｏｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｊ ｅｃｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｏｃｃｕｒ ｔｈｅｒｅ．Ｂｕｉｌｔ ｗｉｔｈ ａ ｐｒｏｊ ｅｃｔ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ Ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｂｕｉｌｔ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｍｏｄｅｌ ｍｅｓｈｉｎｇ，ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｕｎｉｔ ｔｙｐｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｘｃａｖａ— ｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｅｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ，ａｔ ｔｈｅ Ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｅ ｉｎ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｖｅｒｔｉｃａ１ ａｎｄ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ，ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｔｒｅｔｃｈ，ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｅｖｅｎ ｔｈｅ ｗａｌｌｓ ａｔ ｔｈｅ ｂｏｔｔｏｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｔ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ，ｐｉｔ ｒｏｔａｔｅｄ ａ— ｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ａｎｇｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ；ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ １模型网格划分 为建立三维耦合有限元模型对基坑开挖及坑底 不同位置隧道的影响分析。如图１（ａ）所示，假定基 坑的宽度为２Ｂ 一３０ ｍ，开挖深度为ｈ 一９ ｍ；地连 墙厚８００ ｍｍ，插入坑底以下１６ ｍ。Ｂ 、ｈ 分别表示 水平距离；圆圈表示支撑安装位置。从图中可知，支 撑分三层，安装深度分别为地表面、地表面以下３ ｍ 及地表面以下６ ｍ；支撑水平间距为６ ｍ。本研究 假定隧道纵轴与基坑长度方向（ 方向）平行，通过 变化隧道在模型横剖面中的位置（Ｂ 、ｈ ）来研究不 同位置隧道在基坑开挖过程的响应。共进行４种工 模型横截面上隧道中心距基坑中心（宽度方向）的水 平距离与隧道中心距开挖底面的竖直距离。图１ 况算例的研究，具体的工程算例如表ｌ所示。 表１工程算例汇总表 （ｂ）为模型纵剖面图，图中基坑一半长为５４ ｍ，ｈ 表 示隧道的横截面距长度方向（ 方向）基坑中心面的 收稿日期：２０１２—０１—１７ 作者简介：袁绍勇（１９７６一），男，工程师，研究方向：土木工程 注：表中符号Ｂ 、ｈ 及ｈ 的意义同图１（ａ）。 交通科技与经济 第１４卷 Ｚ奉 支撑 基坑中心（宽度方向） （ｎ）模型横剖面 一坑底 地 一连 墙 隧道 Ｉ ｈ～ （６）模型纵剖面 图１模型几何构造 图２为工况Ｃ＊中数值模型的网格划分示意 图。网格共４８ ７４４个节点、４３ ４７４个单元。基坑长 １０８ ｍ（ｙ方向）、宽３０ ｍ（ｘ方向）；开挖深度为９ ｍ （ 方向）。由于模型的对称性，数值分析中长度方 向（ 方向）取一半计算。为消除边界条件的影响， 宽度方向（ｚ方向）水平边界取至地连墙以外６０ ｍ （超过５倍开挖深度）；Ｙ方向水平边界取至地连墙 以外９０ ｍ（１Ｏ倍开挖深度）；土体深度取为８０ ｍ。 隧道结构为圆形，外径为６ ｍ，厚３００ １Ｔｌｌｎ。模型的位 移约束如图３所示，左右边界面（与ｚ方向垂直）约束 ｚ方向的位移，前后边界面（与Ｙ方向垂直）约束Ｙ方 向的位移，底面三个方向的位移均受到约束。 数值模型采用水土耦合分析，地下水位设在地 表面。为模拟开挖过程外来地下水的补给，将模型 左右边界面（与Ｘ方向垂直）的孔压设置为静水压 力，在整个分析过程中保持不变；模型的顶面（地表 面）设置为自由排水边界（Ｄｒａｉｎ—ｏｎｌｙ边界），若边 界内的孔压为负值，自由排水边界等同于不排水边 界；当边界内孔压为正值时，自由排水边界能保证边 界内的水按达西定律向外渗出。基坑开挖属临时性 工程，假设工期较短，按不排水分析，将各个基坑开 挖步的开挖面设置为不排水边界。 图２数值模型的模型网格划分 （ａ）模型横剖面 （ｂ）模型平剖面 图３数值模型横、平剖面位移约束 ２模型力学参数及单元类型选择 为简化研究，本次数值分析选择单一粘土层作 为模型的土体，土体本构模型选择修正剑桥模型。 模型的参数Ｍ、 、 、ｅ。选择台北松山粘土层已有的 剑桥模型参数。松山粘土是国际上比较有代表性的 软粘土，其模型参数指标完整，有广泛的认同度。松 山粘土的模型参数指标如表２所示。Ｗｒｏｔｈ（１９７５） 指出，相对于土体的塑性指数ｊ ，粘土的泊松比变 化很小，本次分析假定松山粘土的泊松比保持不变， 为０．３。根据剑桥模型理论，初始孔隙比ｅ。可由下 式求得 第３期 袁绍勇，等：市政工程基坑开挖对既有隧道影响有限元建模分析 ・５５・ Ｃｏ—ｅ 一ｘｌｎｐｏ一（ 一 ）ｌｎ（ｐ ／２）． 式中：Ｐ 为先期固结压力，Ｐ。为初始固结压力。 表３为地下连续墙、隧道结构及支撑的力学参 数汇总。分析中假定这些结构均处于弹性阶段。地 连墙与隧道采用混凝土结构，弹性模量为２５ ＧＰａ， 泊松比为０．２。支撑采用刚度等效，将空间支撑等 效至平面。分析中支撑的弹性模量与泊松比分别为 ４ ＧＰａ与０．２。 土体单元采用八节点线性位移孔压实体单元； 地连墙与隧道结构选用八节点线性协调实体单元； 基坑工程的水平支撑主要承受水平力，故选用２节 点线性桁架单元模拟。地连墙与土体及隧道结构与 土体之间采用刚性连接，即结构物与土体在模拟过 程位移保持一致，不会出现结构与土之间的相互滑 动或分离。地连墙与土体之间的这种处理方法对地 连墙的位移及坑外土体的沉降预测都有影响，但本 研究的重点是基坑坑底隧道的响应，地连墙与土之 问采用刚性连接，不会对计算结果造成影响，而且可 使数值计算易于收敛。 表２松山粘土剑桥模型参数汇总表 土体参数 Ｉ临界状态线斜率／Ｍ １．Ｏ２ 压缩曲线斜率 Ｏ．１５２ 回弹曲线斜率 Ｏ．０１９ Ｐ １．７２５ 渗透系数／ ４×１０ ８（ｍ／ｓ） 表３地下连续墙、隧道结构及支撑的力学参数汇总表 ３ 开挖进程模拟及监测面设置 结合本项目特点，本次分析的重点为基坑开挖 对坑底已建隧道的影响，对隧道开挖的模拟，具体的 模拟进程为：①建立土体初始地应力场；②进行隧道 开挖模拟，开挖完成后设置１００ ｄ的固结时间，使周 边土体由于开挖产生的有效应力与孔压变化趋于稳 定；③放置地下连续墙；④进行基坑开挖模拟，基坑 开挖分３步，每步开挖为３ ｍ，开挖时间为７ ｄ；在每 步开挖的同时安装支撑。 为更好地处理数值计算结果，设置５个隧道横 截面监测面，如图４所示。截面Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及Ｅ距 方向基坑中心面的水平距离ｈ 分别为９ ｍ（１ｈ ）、 ２７ ｍ（３ｈ ）、４５ ｍ（５ｈ ）、６３ ｍ（７ｈ ）及８１ ｍ（９ｈ ）。其 中截面Ａ、Ｂ及Ｃ处于坑内，截面Ｄ、Ｅ处于坑外。 通过设置这５个监测面，能更好地对基坑开挖引起 的隧道不同位置横截面的自身变形进行分析，研究 基坑空间效应对坑底隧道的影响。 地连墙 Ｉ坑内———一坑处 截面Ａ截Ｉ且ｉＢ截面Ｃ；截面Ｄ截面Ｅ 隧道 ９ ｍ １８ ｍ ｌ８ ｍ ｌ８ ｍ １８ ｍ ６３ ｍ 图４ 隧道监测面 ４数值分析结果 图５为四种工况下隧道管片各横截面在数值模 拟进程的自身变形示意图。图中坐标原点代表隧道 圆心，变形放大系数为５Ｏ。从图中可知，隧道开挖 完成（包括１００天固结）后，隧道管片均竖向压缩，水 平向伸长，隧道被“压扁”。三维数值模型中隧道各 横截面中截面Ａ在基坑开挖过程的自身变形量最 大，说明越靠近长度方向基坑中心面，隧道截面越接 近平面应变状态；各种工况下隧道截面Ｂ（ｈ 一 ２７ ｍ）的自身变形与截面Ａ接近，说明在ｈ ≤２７ ｍ （３倍的开挖深度）范围内，隧道的自身变形变化很 少。截面Ｃ（ｈ ＝４５ ｍ）的自身变形相对于截面Ａ、 Ｂ已经大幅减小，说明在坑内距离地连墙的水平距 离为９ ｍ（１倍的开挖深度）的隧道截面其自身变形 已经明显受到基坑空间效应的影响。截面Ｄ、Ｅ在 开挖过程自身变形很小，说明坑外与地连墙的水平 距离超过９ ｍ的隧道截面其自身变形受基坑开挖 的影响很，Ｊ、。 簧 ． ： ‘ 参 一◆一隧道开控完成（１００天固结） 包括 －．一基坑开控完成（截面Ａ） ．基坑开控完成（截面Ｂ） ——基坑开控完成（截面Ｃ） —一基坑开控完成（截面Ｄ） ——～基坑开控完成（截面Ｅ） 图５隧道管片各横截面在数值模拟进程的 自身变形（单位：ｍ） （下转第５９页） 第３期 侯佳泰：公路软土地基处理相关技术分析 度和厚度的土体。大齐公路施工过程中针对积水路 段和路基填方较高等薄弱路段实行路段外侧填筑了 ２ １ＴＩ宽的反压护道，使路堤下的泥炭向外侧隆起的 趋势得到平衡，以提高路堤在施工中的滑动破坏安 全系数，达到路堤稳定的目的。软土地基路堤反压 护道施工是应遵守的规定如下： 当地的材料都会不同，因此，必须进行具体分析，从 地基条件、处理要求、处理范围、工程进度、材料机具 等方面进行综合考虑，以确定合适的处治方法。大 齐公路设计者克服了技术复杂、工程量大、受制约因 素多等困难，圆满完成了设计任务，并总结出软土路 基加宽的一些设计经验。 参考文献 ［１］杨广庆．高速铁路路基设计与施ｎＺ［Ｍ］．北京：中国铁道 出版社，１９９９． １）填料材质应符合设计要求。 ２）反压护道施工宜与路堤同时填筑；分开填筑 时，必须在路堤达临界高度前将反压护道筑好。 ３）反压护道压实度应达到《公路上工试验规程》 （ＪＴＪ００５１—９３）重型击实试验法测定的最大于密度 的９Ｏ ，或满足设计提出的要求。 ［２］李维勋．路基路面工程［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００７． Ｅ３］何兆益，杨锡武．路基路面工程ＥＭ］．北京：人民交通出 版社，２００６． ４ 结束语 软土地基处治的方法很多，各种方法都有它的 适用范围，具体工程的工程地质条件千变万化，对地 基处理的要求不尽一致，而且施工部门采用的机具、 （上接第５５页） ［４］邓学均．路基路面工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社， ２００５． ［责任编辑ｌ王欣］ ５ 结 论 通过对数值计算结果的分析，得出以下结论： １）软土地区开挖宽度约为３倍开挖深度的矩形 基坑中，处于坑底中心的隧道（隧道轴线与基坑长边 平行），其靠近长度方向基坑中心横截面（截面Ａ）的 最大直径改变发生在竖向与水平向，竖向伸长，水平 向压缩。 参考文献 ［１］蔡国军，黄润秋，严明，等．反倾向边坡开挖变形破裂响 应的物理模拟研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７ （４）：８１１－８１７． ［２］平扬，白世伟，徐燕萍．深基坑工程渗流应力耦合分析 数值模拟研究［Ｊ］．岩土力学，２００１，２２（１）：３７—４１． 、 ［３］郑俊杰，包德勇，龚彦峰．铁路隧道下穿既有高速公路隧 道施工控制技术研究［Ｊ］．铁道工程学报，２００６（８）：８０— ８４． ２）处于坑底靠近地连墙的隧道，其靠近长度方 向基坑中心横截面（截面Ａ）的自身变形与同一深度 处于坑底中心的隧道相似，但都绕垂直轴逆时针向 坑内旋转了一定角度。 ［４］高盟，高广运，冯世进等．基坑开挖引起紧贴运营地铁车 站的变形控制研究ＥＪ］．岩土工程学报，２００８，３０（６）：８１８— ８２３． ［责任编辑ｌ王欣］