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《四川建筑科學研究雜志》2014年第三期

1三維數值仿真模擬

1．1數值計算模型基坑開挖卸荷引起周圍土體應力狀態改變，從而造成對臨近既有區間隧道的影響。為減小開挖引起的影響，針對基坑內土體按照“分層分塊”的分步開挖方案。建立三維數值仿真模型，模擬了全區域的開挖及全部施工過程，進行全過程的精細數值仿真研究，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。采用大型通用有限軟件MIDAS/GTSV260建立全區域的三維數值仿真模型，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個節點。三維數值仿真模型中，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模型進行模擬。巖土體屈服前，其應力應變關系服從線彈性關系;一旦發生剪切或拉伸屈服，巖土體將進入塑性流動階段。采用正交流動法則，不模擬巖土體的剪脹效應。理想塑性Mohr-Coulomb模型的屈服函數表達。式中，σ1、σ3分別是最大主應力和最小主應力;c、φ分別是內聚力和內摩擦角。當fs＞0時，材料將發生剪切破壞。對地連墻、支撐體系和區間隧道結構，采用線彈性模型進行模擬。

1．2本構模型參數地連墻、支撐體系、隧道結構混凝土強度C30，彈性模量Ec=30MPa。土體強度指標與滲透系數參考地質報告取值見表1，各類土的變形模量考慮應力路徑的影響，取卸荷模量:根據劉國彬對上海飽和軟粘土、袁靜對杭州粘土、張文慧對南京粉質粘土以及胡琦對杭州砂質粉土的應力路徑試驗分析，坑內外土體應力路徑影響系數見表2。

1．3數值仿真步驟基坑內土體豎向分四層開挖，每層分10塊進行土方開挖施工。三維數值仿真過程為:①生成初始地應力場，位移清零;②施作盾構區間隧道，位移清零;③圍護結構和冠梁的施工模擬，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土塊。

1．4計算結果分析基坑土體分層分塊每一工況下，區間隧道水平變形和沉降最大值計算結果見表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的土體和隧道變形云圖，如圖6～9所示，對應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結論

結合工程實例，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，滿足既有區間隧道的安全運營要求;2)根據《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》，周圍建筑物對既有隧道變形曲線的曲率半徑R≥15000m，經計算R=20500m，可見基坑開挖引起的隧道變形在控制范圍內;3)根據本文分析結果，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計有限責任公司