摘要：軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其安全性至關(guān)重要；市政工程施工對(duì)運(yùn)營地鐵線路周邊土體和襯砌變形的影響是地鐵運(yùn)營公司關(guān)注的重點(diǎn)。文章以某軟弱地層的運(yùn)營地鐵線路為例，計(jì)算分析多個(gè)基坑同時(shí)開挖施工對(duì)該地鐵線路周邊土體和襯砌變形的影響，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)襯砌變形數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明，該地鐵線路周邊土體和襯砌變形未超過相關(guān)規(guī)范要求，計(jì)算方法的正確性得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：市政管網(wǎng)；基坑開挖；隧道變形；有限元模擬

中圖分類號(hào)：TV441" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1674-0688（2024）02-0125-04

0 引言

目前，我國大中型城市人口急劇增加，地下城市軌道交通成為多數(shù)人選擇的出行工具。隨著地下城市軌道的開通，地下管網(wǎng)等市政公用設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目不斷增多，但基坑開挖等施工會(huì)不可避免地對(duì)原有線路的安全性產(chǎn)生影響［1-2］。市政管網(wǎng)工程基坑開挖一般較淺，但不同的開挖走向和開挖深度對(duì)地鐵沿線隧道變形的影響不同，因此探究多個(gè)基坑開挖引起的既有隧道隆沉，對(duì)軟土地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)臨近區(qū)域的既有隧道的隆沉變形進(jìn)行分析，同時(shí)采取合理的措施控制隧道變形，仍然是目前城市開發(fā)和利用地下空間時(shí)的重要工作內(nèi)容?；娱_挖時(shí)的卸荷效應(yīng)引起既有地鐵隧道周邊土體發(fā)生位移，嚴(yán)重威脅地鐵車站及隧道的安全。劉波等［3］總結(jié)分析42個(gè)基坑開挖工程案例的數(shù)據(jù)，給出3種不同地層條件下隧道水平位移的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式，結(jié)果表明側(cè)方隧道水平位移均指向坑內(nèi)，而豎向位移為沉降或隆起。唐汐［4］的研究引入隧道側(cè)向土體的影響，提出一種可預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)下臥隧道豎向變形影響的簡化計(jì)算方法。馮國輝等［5］在基坑開挖對(duì)下臥既有隧道變形影響的研究中，通過對(duì)實(shí)際工程案例中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了將剪切變形考慮在內(nèi)的變形解析方法的合理性和優(yōu)越性，結(jié)果表明基坑開挖的寬度和深度對(duì)既有隧道受力變形有影響。學(xué)者們對(duì)單體臨近區(qū)域基坑開挖對(duì)地下隧道影響的研究主要集中在半經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，而對(duì)市政工程中沿地鐵隧道走向的大面積淺基坑開挖對(duì)隧道安全影響的分析較少。

本文以某在建市政管網(wǎng)工程為例，分析臨近工程基坑開挖施工對(duì)軟黏土地層既有地鐵雙線隧道及周邊建筑環(huán)境的影響，利用Abaqus軟件本構(gòu)模型中的Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則模擬地下空間結(jié)構(gòu)基坑的開挖施工過程［6］，分析隧道盾構(gòu)襯砌及周邊地基位移情況，并且對(duì)比分析實(shí)際施工過程和模擬計(jì)算的結(jié)果。

1 工程概況及控制標(biāo)準(zhǔn)

1.1 工程概況

某海綿城市地下管網(wǎng)工程的基坑開挖位于軟土地區(qū)地鐵運(yùn)營段單線斜上方。地鐵沿城市主干道下方敷設(shè)，交通流量較大。該地下管道工程兩側(cè)地下管線、過街頂管及地下障礙物較多，對(duì)工程的影響大。工程地屬崗地坳溝地貌單元，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，屬抗震不利地段，近場(chǎng)區(qū)無全新活動(dòng)斷裂通過，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)微弱，區(qū)域穩(wěn)定性較差。場(chǎng)地表層分布填土，上覆土層以黏性土為主，基底巖性以粉砂質(zhì)泥巖為主，綜合評(píng)價(jià)場(chǎng)地穩(wěn)定性一般。1#～4#管溝開挖深度為1.5～1.9 m，考慮到地質(zhì)條件及基坑開挖的卸荷影響，需要對(duì)地鐵運(yùn)營段地基沉降及襯砌變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以保障地鐵運(yùn)營安全，如監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常狀況，則需要實(shí)施可靠的地基處理措施后，方可興建工程。管溝與現(xiàn)有盾構(gòu)平面剖面關(guān)系圖見圖1。

1.2 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

為防止施工造成地鐵隧道管片裂縫、滲漏或是引起軌道不平順等問題，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013），對(duì)相關(guān)變形控制指標(biāo)提出了具體要求（見表 1）。

2 模型建立

2.1 土體參數(shù)

本次模擬采用的土體及其物理性質(zhì)見表2。地鐵隧道襯砌材料為C50鋼筋混凝土，采用線彈性模型，彈性模量為35 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3。

2.2 計(jì)算模型

本次有限元模擬主要對(duì)比分析隧道襯砌上方土體開挖的工況，因此模擬過程中設(shè)置網(wǎng)格模型的左側(cè)、右側(cè)和底面均為法向約束，其中左、右側(cè)設(shè)置為X=0，在底面施加邊界條件X=0、Y=0。為評(píng)估該地下管道工程基坑開挖卸載對(duì)盾構(gòu)變形和軌道平順性的影響，本文采用的有限元計(jì)算需施加初始地應(yīng)力，模擬計(jì)算則采用在土體內(nèi)部增加自重荷載屬性，同時(shí)在模型邊界施加一定面荷載的方法，通過側(cè)摩阻力荷載等求得地應(yīng)力場(chǎng)：

其中：[σs]為初始地應(yīng)力；[γ]為土體自重；Z為測(cè)點(diǎn)的深度；[K0]為土層的靜止土壓力系數(shù)；[τ]為測(cè)點(diǎn)的深度。根據(jù)以上公式可以計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的初始地應(yīng)力，然后分配到各個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上，從而得到單元節(jié)點(diǎn)的初始地應(yīng)力。

模型土體選用M-C（Mohr-Coulomb）屈服準(zhǔn)則，屈服準(zhǔn)則是將巖土體的破壞條件表示為與最大主應(yīng)力圓相切的一條直線，用巖土的黏聚力與內(nèi)摩擦角表示，屈服準(zhǔn)則表達(dá)式為

公式（4）以主應(yīng)力表達(dá)式表示為

公式（5）以屈服函數(shù)形式表示為

其中：[C]、[φ]分別為巖土的黏聚力和內(nèi)摩擦角；[J'1]、[J'2]分別為應(yīng)力張量的第一偏應(yīng)力不變量和第二偏應(yīng)力不變量；[θ]為羅德角，其計(jì)算公式為

其中，[J'3]為應(yīng)力張量第三偏應(yīng)力不變量。屈服后，在一個(gè)應(yīng)力增量間隔中，應(yīng)變?cè)隽坑蓮椥院退苄?個(gè)部分組成，即

其中：[D=E（1+μ）（1+2μ）]，[dεe]與[dσ]之間仍為線彈性關(guān)系。根據(jù)塑性理論的流動(dòng)法則，塑性應(yīng)變?cè)隽縖dεp]與塑性勢(shì)函數(shù)[Q]的應(yīng)力梯度成線性比例關(guān)系，表示為

根據(jù)相關(guān)塑性理論[Q≡F]，求得

對(duì)于硬化材料，[dF=0]，即

在Abaqus工程模擬的有限元軟件中，模型結(jié)構(gòu)需劃分網(wǎng)格，本次模擬選用四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)力四邊形單元（CPS4R）劃分網(wǎng)格（見圖3），網(wǎng)格大小為0.5 m。本次有限元模擬使用Abaqus中的Model Change功能進(jìn)行設(shè)置。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 基坑土體沉降分析

建立初始自重應(yīng)力場(chǎng)。在實(shí)際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載的作用下已經(jīng)固結(jié)沉降完畢，需要將已經(jīng)固結(jié)沉降的原狀土作為后續(xù)步驟的初始狀態(tài)，因此若要達(dá)到天然土層的初始狀態(tài)，必須平衡初始地應(yīng)力，使土體模型中只存在初始應(yīng)力場(chǎng)而不出現(xiàn)初始位移。模型中的第一階段為施工前計(jì)算土體在自重作用下的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，并且構(gòu)造初始應(yīng)力場(chǎng)，為后階段的計(jì)算結(jié)果提供參照。

針對(duì)隧道上部土體開挖的前后情況進(jìn)行對(duì)比分析。為了模擬現(xiàn)實(shí)中隧道的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)，模擬分析中設(shè)置了地應(yīng)力平衡分析與隧道開挖分析。土體沉降模擬結(jié)果見圖4，開挖右側(cè)隧道正上方后，下臥隧道頂端呈現(xiàn)不同程度的土拱隆起，右側(cè)隧道隆起約0.256 mm；由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)整體剛度較高，因此隧道底部受土體及襯砌結(jié)構(gòu)自重的影響，導(dǎo)致整體下沉約0.1 mm。

基坑開挖5 m后，隧道上部土體整體變形均勻，變形值區(qū)間為0.165～0.195 mm，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)影響較?。?］。如果持續(xù)開挖深基坑，則需嚴(yán)格把控，否則極易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)開裂、滲漏，甚至可能引起列車停運(yùn)等嚴(yán)重的公共安全事故。

3.2 襯砌位移分析

襯砌內(nèi)繞隧道共設(shè)置80個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)定位移變化，在隧道開挖模擬分析中，左側(cè)隧道拱頂產(chǎn)生0.227 mm的上浮豎向位移，拱底下沉0.09 mm；右側(cè)隧道上浮位移為0.244 mm，拱底下沉0.08 mm，左右側(cè)變形規(guī)律一致。開挖后土體自重應(yīng)力逐漸減小，土體附加應(yīng)力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)持續(xù)擠壓，整體變形分布呈現(xiàn)橢圓球形，最大位移出現(xiàn)在拱頂及拱底位置。

隧道水平位移主要集中在腰拱側(cè)，左右兩側(cè)隧道變形分布一致。其中，受右側(cè)基坑開挖影響，水平正向位移最大值出現(xiàn)在右側(cè)隧道右腰拱處，變形量為0.2 mm，最大負(fù)位移為0.19 mm。以襯砌最高點(diǎn)為起點(diǎn)，1#～4#管溝斷面的襯砌隆起對(duì)比圖見圖5。

受隧道上部管道開挖施工的影響，隧道襯砌產(chǎn)生了一定的位移，相比水平向位移，隧道襯砌豎向位移較大且最大隆起位移均發(fā)生在襯砌中部，1#管溝下的位移值較大，達(dá)到了0.6 mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果接近。1#～4#管溝的開挖深度為1.5～1.9 m，比較單個(gè)斷面，右側(cè)襯砌隆起比左側(cè)襯砌隆起大，說明地鐵襯砌上方基坑開挖對(duì)軟土地基區(qū)域的地鐵襯砌有一定影響；延地鐵線路走向，各個(gè)斷面上的水平位移量和豎直位移量有一定的差距。整體上看，地鐵襯砌隆沉量較小，沒有超過規(guī)范要求的限值，因此該軟土地區(qū)地鐵運(yùn)營段是安全的。

4 結(jié)語

本文依托某地區(qū)地鐵運(yùn)營段單線上方的基坑開挖工程，采用Abaqus有限元模擬軟件對(duì)基坑開挖進(jìn)行有限元計(jì)算分析，通過對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)測(cè)結(jié)果，研究分析開挖過程中隧道最大豎向位移、最大水平位移時(shí)的曲線變化特點(diǎn)。雖然市政管網(wǎng)基坑通常開挖深度較淺，但是對(duì)軟弱地層仍需要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)測(cè)變形結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析。基坑開挖工程應(yīng)綜合考慮不同基坑開挖對(duì)下臥既有隧道關(guān)鍵截面的變形影響，保障線路的平順性。

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