土层弹性模量对隧道结构受力与变形影响分析

科技通报

Vol．34No．2Feb．2018

BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGY

土层弹性模量对隧道结构受力与变形影响分析

张

1，22

徐学勇，孙琳，

31，23

雪，王振红，蒋媚娟

（1．浙江华东建设工程有限公司，杭州310014；2．中国电建集团华东勘测设计研究院

有限公司，杭州311122；3．金陵科技学院建筑工程学院，南京211169）

摘

要：针对杭州市下沙金沙湖绿轴下沉广场开挖工程，分析了基坑开挖对下卧地铁隧道的影响，并进行了不同土

层模量取值的敏感性分析。通过ANSYS与FLAC3D建立土层与隧道三维模型，分析了土层弹性模量分别取高、中、低值时，土层与隧道结构的应力及变形特征。研究表明：土层与隧道变形以竖向回弹位移为主，变形对弹性模量取值较敏感并随弹性模量降低而增加。土层最大变形位于基坑底部，隧道最大变形发生于下沉广场圆心位置。开挖过程中及开挖完成后，土层与隧道均存在拉应力区，但拉应力水平较低，且对土层弹性模量取值不敏感。关键词：弹性模量；隧道；土体变形；三维模型中图分类号：U451

文献标识码：A

文章编号：1001－7119（2018）02－0210－06

DOI：10.13774/j．cnki．kjtb．2018.02.048

InfluenceofSoilElasticModulusontheStressandDeformatio

ofTunnelStructure

22

ZhangLin1，，XuXueyong2，SunXue3，WangZhenhong1，，JiangMeijuan3

（1．ZhejiangHuadongConstructionEngineeringco．，ltd，Hangzhou310014，China；2．HydroChinaHuadongEngineeringCorporation，Hangzhou311122，China；

3．CollegeofCivilEngineeringandArchitecture，JinlingInstituteofTechnology，Nanjing211169，China）Abstract：AccordingtothegreenaxisSunkenPlazaexcavationengineeringofHangzhouXiashaJinshaLake，theexcavationeffectsofunderlyingmetrotunnelwereanalyzedandconsidereddifferentsoilmodulusvalueofthesensitivityanalysis．ThroughANSYSandFLAC3D，the3Dmodelofsoilandtunnelisestablished，andthevariationofsoilandtunneldisplacementanddeformationareanalyzed．Theanalysisresultsshowthatthedeformationofsoilandtunnelisthemaindisplacementandmoresensitivetothemodulusofsoil．Themaximumdisplacementofthesoilatthebottomofthepit，andthemaximumdisplacementoftunnelinSunkenPlazacenter．Afterexcavationandexcavation，thesoilandtunnelisintensilestressarea，butthetensilestresslevelislower，anditisnotsensitivetothemodulusofsoil．Keywords：modulusofelasticity；tunnel；soildeformation；three-dimensionalmodel地铁网络日益随着城市轨道交通的快速发展，

完善，不可避免的会出现在隧道附近进行工程活动，如隧道邻近基坑的开挖、工程桩基施工等。黄宏伟

收稿日期：2017－01－08

基金项目：国家自然科学基金项目（41101519）；浙江省自然科学基金（LY14D020001）。

作者简介：张琳（1984－），工程师。从事岩土（海洋）工程勘察、设计和研究工作。男，江苏高邮人，

E-mail：zhang_l20@ecidi．com。

研究了外滩以上海外滩修建地下通道为实例，

通道开挖对下卧延安东路隧道的影响，并评价不同等

隧道保护措施的效果。郑刚等

［2］

［1］

基于大量工程案

第2期张琳等．土层弹性模量对隧道结构受力与变形影响分析211

例资料，以天津市某邻近既有隧道深基坑实测资料为基础，采用考虑土体小应变刚度特性的有限元方法对基坑施工对坑外既有隧道变形影响规律进行了参数分析，结合不同规范变形控制标准，划分了不同围护结构变形模式和最大水平位移条件下坑外既有

隧道变形影响区。吴才德等［3］

通过三个典型基坑工程的计算对比，结合地层补偿原理和宁波软土地区深基坑工程实践经验，提出坑外土体水平和竖向位移的修正系数，形成了适用于宁波软土地区深基坑工程的坑外土体位移场预测方法。

已有研究表明，隧道工程邻近基坑开挖可能导致隧道周围土层应力场发生变化，使隧道结构发生

变形，从而影响隧道结构的可靠性

［4－6］

。为保证隧道结构的安全运行与正常使用，有必要对临近基坑

开挖的影响进行分析，为采取合理的基坑开挖方式

及支护措施提供技术依据

［7－10］

。本文以杭州市下沙金沙湖绿轴下沉广场开挖工程为实例，建立土层与

隧道结构三维有限元模型，分析基坑开挖对下卧地铁隧道的影响，并进行不同土层模量取值的敏感性分析。旨在为此类基坑工程提供技术依据和理论支撑。

1工程背景

杭州市下沙金沙湖城市开挖涉及下卧地铁隧道的工程包括绿轴下沉广场、科技文化中心地下通道、幸福北路穿湖隧道三个工程。其中，绿轴下沉广场工程位于九沙大道下及其两侧，设计为一个台阶式月牙形围合的下沉式开敞空间，开

挖面积12053m2

，开挖深度约5.25m，其基坑底板距离地铁1号线左线隧道顶3.17m，距离右线隧道顶4.33m。

绿轴下沉广场工程中，下卧地铁区间隧道位于砂质粉土层中，区间隧道顶部以上土层采用水泥土搅拌桩进行满堂加固，在下卧双线隧道中间及两侧每1.0m间距布置1根直径600mm的钢筋混凝土钻孔灌注抗拔桩，钻孔灌注桩（抗拔桩）距离区间隧道最小净距3.90m。抗拔桩上接加固土三个柱脚底部并与基坑底板连接，形成门式框架结构以抑制基坑开挖卸荷引起的下卧地铁隧道上浮变形，如图1所示。

抗拔桩处理区域（核心区）第一层开挖从高程5.50m开挖到高程3.28m，为一次性开挖；第二层开挖从高程3.28m开挖到高程0.2m，分2期抽槽

开挖。其余未处理区域（非核心区）也分2层开挖。

开挖前将基坑范围的地下水位降低到－1.00高程。

图1

隧道与基坑断面图

Fig．1

Tunnelandexcavationsectionmap

2

基坑开挖过程数值模拟

2.1

分析模型

建立了工程的三维数值仿真模型，模拟了全区域的开挖及全部施工过程，在此基础上进行全过程的精细数值仿真研究。全区域的三维数值仿真模型见图2所示。计算模型土层总厚度（模型Z方向）取为55.0m，土体水平宽度（模型X方向）取为350m，长度取为350m（模型Y方向），下沉广场位于模型中部。该模型共有87359个单元，

44154个节点。将钻孔灌注桩按照截面积等效为薄壁连续墙，等效墙厚0.39m。

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。2.2

本构模型

对岩土体即水泥加固土体，采用线弹性—理想塑性的Mohr—Coulomb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为：

f+sinφ

s=σ1－σ13

－2c

槡1+sinφ1－sinφ

1－sinφ

（1）

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。

对钢筋混凝土钻孔灌注桩和基坑的混凝土底板，采用线弹性模型进行模拟。

212

表1

Table1

土层及材料杂填土砂质粉土

淤泥质粉质粘土夹粉土

淤泥质粘土

粘土水泥土混凝土底板钢筋混凝土

重度/（kN/m3）18.019.218.217.318.520.024.024.0

科技通报第34卷

材料物理力学参数

Physicalandmechanicalparametersofmaterials

强度参数

弹性模量/MPa

高模量15502515501000

中模量103416.710344003150031500

低模量5178.3517333

泊松比/v0.300.280.300.350.260.250.170.17

内聚力/kPa

1012101632100

内摩擦角/°

152017102040

图2Fig．2

三维数值仿真模型

3DNumericalsimulationmodel

2.3计算参数

根据现场地质勘察和土工试验结果，结合同地

区工程经验，采用的土体、水泥土、混凝土及钢筋混凝土的物理力学参数见表1。数值模型中抗剪强度指标采用室内三轴不排水试验获取。因本工程研究开挖卸荷问题，材料的弹性模量取为回弹模量，其值约为相应状态下压缩时弹性模量的3～4倍。因浅层开挖卸荷对整个地层应力状态的扰动并不大，且核心开挖区以水泥土（胶结体）进行了加固，可不模拟土体模量的非线性。对各土层和水泥土的弹性模量分别取不同数值进行参数敏感性分析。

图3Fig．3

基坑及土层总位移云图pitandsoillayer

Totaldisplacementoffoundation

3

3.1

计算结果及分析

基坑变形分析

计算得到开挖过程中以及开挖完成后基坑及土

最大位移位于基坑底部。从图4中曲线可以看出，

随着土层和水泥土模量从高到低，位移计算结果呈上升趋势，且土层模量从高变到中时，位移变化较小，从中变到低时，位移变化较大。中模量下，核心区开挖完成时总位移较高模量下增加了46%，全部开挖完成时总位移较高模量下增加了48%。低模量下，核心区开挖完成时总位移较中模量下增加了93%，全部开挖完成时总位移较中模量下增加了94%，总体上来看，基坑变形对土层和水泥土模量取值较敏感。核心区开挖完成时，基坑回弹变形以水

层的变形情况，分析了不同方向的位移随土层模量的变化趋势及其对土层模量取值的敏感性。基坑及土层总位移云图如图3所示，各方向位移随土层模量变化曲线如图4所示。

从位移云图3可以看出，开挖后基坑及下卧隧道发生回弹。核心区开挖完成后，回弹最大值为0.81cm，全部开挖完成后，回弹最大值为3.17cm，

第2期张琳等．土层弹性模量对隧道结构受力与变形影响分析213

图4基坑回弹变形随模量变化曲线

Fig．4

Curveofelasticdeformationoffoundationpit

平位移为主，水平位移与总位移值接近，竖向位移较小，其值与水平位移比例为0.40～0.46，全部开挖完成后，基坑回弹以竖向位移为主，其值与总位移值接近，水平位移与竖直位移比例为0.19。垂直于隧道走向方向位移值较大，其值与总位移比例为63%～98%，说明隧道走向方向变形较小。3.2

下卧地铁隧道变形分析

开挖过程中及全部开挖完成后，下卧地铁隧道总位移分布云图如图5所示。位移随土层模量变化曲线如图6所示。

从下卧地铁隧道总位移分布云图5可见，核心区开挖完成后，隧道最大变形为0.24cm。全部开挖完成后，隧道最大变形为0.89cm，最大位移值发生于下沉广场圆心位置的地铁隧道处。从图6中曲线可以看出，下卧地铁隧道总位移随土层及水泥土模量减小，呈增长趋势，且当土层模量从高值到中值时，位移增长较小，从中值到低值时，位移增长较大。中模量相对于高模量，核心区开挖完成时，总位移增

图5下卧地铁隧道总位移云图Fig．5

Totaldisplacementdistributionofundergroundmetrotunnel

长21%，全部开挖完成时，总位移增长43%。低模量相对于中模量，核心区开挖完成时，总位移增长

66%，全部开挖完成时，总位移增长86%。隧道变形总体对土层模量取值较敏感。隧道变形以竖向回弹为主，其值接近总位移，水平位移很小，核心区开挖完成时，水平位置与竖向位移比值约为0.13，全部开挖完成时，水平位移与竖向位移比值约为0.08。3.3

基坑及土层应力分析

计算得到基坑及土层在开挖过程中以及开挖完成后的应力状态，其主应力随土层模量变化如图7所示。

从图7中可以看出，开挖后，基坑及土层最大主应力为拉应力，最小主应力为压应力，拉应力值较小，低模量下，核心区开挖完成时，拉应力为1MPa左右，全部开挖完成后，拉应力为3MPa左右。核心区开挖完成时，其最大主应力与最小主应力随模量变化很小，最大主应力在1MPa左右，最小主应力在－3MPa左右，土层应力对模量取值不敏感。全部开挖完成时，其主应力绝对值随土层模量减小有上升趋势，从高模量减至低模量，拉应力增加了约1倍，压应力增大约26%，土层应力对模量取值较敏感。

214科技通报第34卷

图6隧道变形随土层模量变化曲线Fig．6

Variationcurveoftunneldeformation

withsoilmodulus

3.4隧道应力分析

为考察基坑开挖对下卧隧道应力状态的影响，

计算得到开挖过程中以及全部开挖完成后下卧地铁隧道主应力随土层模量的变化情况，如图8所示。从图8可以看出，开挖后，下卧隧道存在拉应力，但其值较小，核心区开挖完成时与全部开挖完成时最大主应力和最小主应力值接近，拉应力约为1MPa左右，压应力约为－4MPa左右。核心区开挖完成时与全部开挖完成时，主应力随土层模量变化呈上升趋势，但上升幅值很小，可认为随土层模量变化基本不变，即隧道应力对土层模量取值不敏感。

4结论

本文结合工程实例，

通过建立土层与隧道结构三维有限元模型，分析基坑开挖对下卧地铁隧道的影响，得出如下结论：

（1）基坑开挖后，最大回弹变形位于基坑底部，

图7基坑及土层主应力随模量变化Fig．7

Variationofprincipalstressof

foundationpitandsoilmodulus

以竖向位移为主。位移计算结果随土层模量下降而

增加，且土层模量从中值变到低值时，位移计算结果增加明显。

（2）隧道变形以竖向回弹为主，且位移值较小，最大位移发生于下沉广场圆心位置。隧道变形随土层模量降低而增加，土层模量从中值变到低值时，位移结果增加明显。

（3）开挖过程中与开挖完成后土体与隧道均存在拉应力区，但拉应力水平较低，土体与隧道应力随土体模量变化不明显，土体与隧道的应力对土层模量变化不敏感，而其位移对土层模量变化较敏感，应以位移作为主要控制因素。参考文献：

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［第2期张琳等．土层弹性模量对隧道结构受力与变形影响分析215

图8下卧隧道主应力随土层模量变化曲线Fig．8

Thechangecurveofthemainstressofthetunnelunderthesoilmodulus

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