基坑斜交上穿既有地铁区间隧道数值计算分析（论文）.pdf

·30· 基坑斜交上穿既有地铁区间隧道数值计算分析 张乐乐 （上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，200092，上海） 　　摘　要 ：以徐州市三环南路快速化改造工程为背景，采用 MIDAS GTSNX建立三维有限元分析模型 ， 针对上穿斜交基坑开挖对既有地铁区间隧道的影响问题进行了三维有限元数值分析。研究成果可为类似工程 的设计与施工提供参考。 　　 关键词： 地铁；基坑开挖；数值分析；斜交上穿；修正摩尔 –库伦模型 　　 中图分类号： TU 753 文献标志码： A 文章编号：1000–4726(2019)14–0030–04 收稿日期：2019–08–05 作者简介： 张乐乐（ 1991 —），男，安徽滁州人，工程师， e-mail： zhanglele888@126.com. 近年来，随着各大城市地铁线路网的日趋完善， 新建工程在设计时常会面临基坑上跨既有地铁区间隧 道的问题。地铁隧道是关乎民生的百年工程，保护其 安全运营显得极为重要，如何保证在基坑开挖过程中 不影响既有区间隧道的安全运营，成为工程界关注的 重点和难点。 针对这一问题，国内外学者进行了大量分析研究， 研究手段主要有理论分析、数值模拟和现场检测：刘 国彬等以上海广场基坑工程下的既有隧道保护为工程 背景，利用残余应力原理和应力路径方法建立了基坑 隆起变形的计算模型，较准确地预测了基坑下隧道的上抬变形；陈郁及青二春利用解析的方法研究了卸荷参数对隧道回弹变形影响，认为隧道变形是基坑底部 土体回弹及基坑周边土体挤压共同作用的结果；朱逢 斌等采用数值模拟的方法分析了不同位置关系工况下 基坑施工对下卧隧道变形及受力的影响；陈思明等针 对上部及侧方位基坑开挖对邻近既有地铁隧道安全运 营的问题进行了三维模拟计算分析，得到了既有隧道 结构在基坑施工过程中的受力特征和变形规律；高强 等采用数值模拟与现场检测相结合的方法，提出跳槽、 分段、分层、对称开挖方案，并通过对比现场检测结 果验证了设计方案的合理性和可行性；魏刚基于国内 14 个 基坑工程案例的实测数据，对基坑开挖影响下方 既有隧道的机制进行了理论分析，并提出隧道最大隆起值经验公式。 可以看出，针对基坑开挖引起既有下卧地铁隧道 变形安全问题的研究采用数值模拟的方法是有效可 行的，目前研究的依托工程案例主要以正交、平行相 交为主，对基坑斜交上穿既有地铁区间隧道的研究相 对较少，且由于地下工程的地域特殊性，不同地区的 类似研究无法应用指导其他工程的设计和施工。本 文以徐州市三环南路快速化改造工程为背景，采用 MIDAS GTS NX 建 立三维有限元分析模型对拟开挖 基坑斜交上穿既有地铁区间隧道问题进行计算分析， 模型中土体采用修正摩尔 –库 伦模型，该模型可充分 考虑土体的回弹变形，能较好模拟开挖过程中土体卸 荷受力过程。研究成果可为三环南路项目及类似基坑 工程的设计与施工提供参考。 `??? ? 拟建徐州市三环南路快速化改造工程分为景区段 和城区段，采用“地面快速路 +节 点改造”方案，其 中城区段约 4 .5 km，在长安路节点设置下穿地道及匝 道接入现状三环东路高架，长安路地道长 4 70 m，御 景路匝道长 8 38.203 m；该节点上跨既有徐州市地铁 2 号线 七里沟站 ~姚庄站区间隧道，拟开挖基坑与区 间隧道平面位置关系如图 1所 示，定义与地铁区间相 交段基坑分别为 J 1~J5区段。 图1　基坑与区间隧道相对位置关系平面 基坑与区间隧道斜交，交角约 22° ~36 ° ，御 景 路 匝道基坑开挖深度 9 m，长安路地道基坑开挖深度 2~7.7 m （坑 底纵坡 4.5%）；综合考虑场地周边限制条 件，采用垂直支护方案，支护设计原则见表 1。 相交段御景路匝道侧排桩底部距离隧道结构顶 部净距约 2 m，基 坑 横 向 宽 度 38.2 m，整平地面标高 32.870 m ， 隧道顶标高 18.370 m，该 区 间 隧 道 采 用 地 铁 建 筑 技 术 Architecture Technology 第50 卷 增刊 2019 年12 月 Vol.50 No.12 Dec. 2019 ·31· 张乐乐：基坑斜交上穿既有地铁区间隧道数值计算分析 （b） 图 4 　三维网格划分 （a）开挖前；（b）开挖后 几 

<??? !尘?5 基坑深度 支护方案 h ＜ 3m 拉森式钢板桩，不设支撑 3m ≤h ＜ 5m 钻孔灌注桩+止水帷幕，不设支撑 5m ≤h ＜ 7m 钻孔灌注桩 +止水帷幕， 1道混凝土撑 7m ≤h ＜ 10m 钻孔灌注桩 +止水帷幕， 1道混凝土撑 +1道 609 钢支撑 盾构标准圆形断面，内径 5.5 m，外 径 6.2 m，管 片 厚 度 0 .35 m ，基坑与区间隧道剖面相对位置关系如图 2 所 示（以 J3区段剖面为 例）。 图 3　三维几何模型示意 `梯??烘??  +??y ? 为探究拟开挖基坑对下卧斜交区间隧道的影响， 采用 MI DAS GTS NX 建立三维有限元模型进行分析。 整体模型及网格划分情况如图 3、图 4所示 ，几何模 型尺寸为 20 0 m（ 长 ）× 150 m（ 宽 ）× 35 m（ 高 ）；模 型前后左右约束相应法向位移，底部约束竖向位移。 （a） 图 5　等效围护桩及支撑网格划分 孔桩板单