地铁隧道上方基坑开挖的有限元分析

第26卷 第7期

2010年4月

甘肃科技

Vol.26 No.7Apr. 2010

地铁隧道上方基坑开挖的有限元分析

赵启嘉

(广州地铁设计研究院有限公司,广东深圳518040)

摘 要:随着城市发展和地下空间开发,越来越多基坑工程横跨在地铁隧道上方。而基坑开挖将改变周围土体的应力状态,使下卧隧道产生相应变形和内力,影响隧道的正常使用和地铁的安全。以深圳某横跨隧道上方的基坑工程为背景,通过三维有限元分析,对加固土体、设置抗拔桩、开挖分块等措施对基坑回弹和隧道隆起的影响,进行分析研究,为优化设计和施工提供有益的参考。关键词:基坑开挖;有限元方法;地铁隧道;隆起中图分类号:TU753

随着城市发展和地下空间开发,地铁车站、区间隧道和地下建筑物之间的相互影响越来越多。以深圳某横跨隧道上方的基坑工程为背景,通过三维有限元分析,对加固土体、设置抗拔桩、开挖分块等措施对基坑回弹和隧道隆起的影响,进行分析研究,为优化设计和施工提供有益的参考。

2 有限元计算与分析

利用ANSYS有限元分析软件,在合理的计算区域内,利用有限元单位来模拟实际工程,为了计算方便,在理论允许的条件下进行了简化。

2.1 模型单元

有限元单位选择了壳单元(SHELL63)、实体单元(SOLID45)以及接触单元(TARGET170)。在计算过程中利用实体单元(SOLID45,线弹性八节点等参单元)来模拟土体,围护墙体,桩体。用不同的材料性质(弹性模量,泊松比)来区别不同性质的土体(加固的土体,加固范围下方的土体,坑外的土体),墙体及桩体;对于围护结构与土体之间,桩与土体之间的接触,采用接触单元来模拟。同时为了减少计算量,计算范围在两侧边界处取三倍的开挖深度,而下方边界由于抗拔桩的缘故取3倍挡墙深度,如图2所示。

1 工程概况

研究的基坑工程位于地铁二号线上方,为地下人行过街通道基坑结构。基坑底与隧道外轮廓最小净距为1.3m,如图1所示。根据工程地质勘察报告,场地土层由上至下依次为杂填土、砾质粘土、全风化花岗岩、强风化花岗岩以及中风化花岗岩,其中隧道位于砾质粘土中。由于基坑底距离隧道很小,因此如何在基坑开挖过程以及后续长期运营中保护地铁隧道安全,是本工程需要克服的最大难点。

图2 模型计算范围示意

2.2 工况模拟

基坑开挖引起的坑底回弹以及下方隧道的隆

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度,摩擦系数这几个参数上,同时模拟抗拔桩的实体单元SOLID45的弹性模量也是体现抗拔桩自身变形性能的一个重要参数。

挖情况,为了分析隧道隆起,模拟了以下几种工况来计算分析。

工况1:整体开挖,调整反映加固效果的模型参数,无抗拔桩;

工况2:整体开挖,调整反映加固效果的模型参数,有抗拔桩;

工况3:三块开挖,有加固,有抗拔桩;工况4:五块开挖,有加固,有抗拔桩;2.3 加固效果分析

本工程可以采用的加固措施有井点降水、旋喷加固、搅拌桩加固等多种,为了比较不同基坑加固措施的效果对隧道隆起的影响,考虑调整土层参数来反映不同加固强度和加固深度的效果,土的弹性模量选择了40MP、60MP、80MP3种情况。

从图3、图4分析比较得知,土层模量增加,对基坑回弹效果较明显,但对于隧道隆起则影响甚小,原因在于土体加固区域仅在隧道上方,而隧道的回

弹更大程度上受隧道下方土层影响。

从图5、图6分析比较得知,隧道处隆起变形受到模量的影响要比工况一大很多,其中的原因在与抗拔桩的作用,由于抗拔桩与周围土体的摩擦性能,使得隧道上方土体加固的效果不只停留在加固区这一范围,其下方与抗拔桩相接触的土体也受到土体加固所带来的抑制回弹变形的作用。

2.5 分块开挖效果分析

分块开挖使得分块的底板与抗拔桩相连,后续土方开挖引起的土体回弹受到了很大的限制。而不同的分块类似于在地基梁上增加不同数目的弹性支点约束。

3 结论

地铁隧道上方基坑的土层加固对隧道隆起的抑制作用要靠抗拔桩来发挥,当设置抗拔桩时,由于抗

2.4 抗拔桩效果分析

抗拔桩在坑内土体开挖时能起到一定量/拉0住坑下土体的回弹,从而有效减小隧道的隆起,建模时考虑抗拔桩外围与四周土体建立接触单元,抗拔

拔桩与周围土体的摩擦性能,使得隧道上方土体加固的效果不只停留在加固区这一范围,其下方与抗拔桩相接触的土体也受到土体加固所带来的抑制回弹变形的作用。(下转第70页)

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表1 养路机械车及附属车辆台数

序号12345789101112131415

设备名称

全断面清筛机双枕捣固车道床稳定车配碴整形车轨道检测车道岔捣固车边坡清筛机钢轨打磨车钢轨探伤车道岔打磨车道岔铺换设备大型养路机械牵引车以上小计

大型养路机械附属车辆

型号及规格

数量

单位台台台台台台台台台台台台辆

既有31044040010012743

新增

近期1844102101022455

远期31155103101163768

近期41888142111035198

合计

远期621991431111764111

备注

4 西宁大机段的性质及规模

4.1 大机检修设施

主要工艺流程,如图1所示。

预留2条附属车辆停留线;设长轨车停留线1条,有

效长约650m。

4.2.2 大机标定线、编组线及牵出线

设大机标定线2条,其中1条设置为S曲线。设大机编组线1条,其长度不小于550m,设大机牵出线1条,长度约为450m。4.3 其他附属设施

西宁大机段配套新建生活办公房屋设施。主要房屋设施为:大机段办公楼、大机段教育综合楼、食堂浴室、材料库、汽车库、污水处理间以及锅炉房等。

图1 工艺流程

新建2线6台位大机检修库及附属边跨1座,轴线尺寸114m@(24+15)m。库内设20t天车2座及大机落轮机1台。在检修库前端预留大机清洗及进库前检查位置。附属边跨包括:捣固单元检测间、

制动单元检测间、机械钳工间、液压元件检修试验间、探伤间等检修间,配备相应的检修设备。充分利用既有设备,新增设部分检修设备。4.2 大型养路机械的停留、试验线等设施4.2.1 大机及附属车辆停留

设3线大机停留库1座,用于大型养路机械及其牵引车的存放,轴线尺寸216m@18m。预留3线大机停留库1座。

设大机附属车辆停留线4条,有效长约2400m,(上接第114页)

参考文献:

[1] 王卫东.基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模

拟[J].岩体力学,2000(11):251O255.

5 结语

随着铁路跨越式发展战略的实施,检修管理模式以及检修的工艺逐步的在探索、在完善,大机检修基地的建设也需要规范化,因此采用现代管理方式,

不断完善检修制度,保证工艺的落实,使大机检修工艺规范化,保证大机检修质量。

参考文献:

[1] 王淑鹏.完善青藏铁路大型养路机械维修体系[M].

中国铁路,2008.

[2] 大型养路机械使用管理规则[S].北京:中国铁道出版

社,1998.

[2] 刘国彬,黄院雄,侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间

隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩石力学与工程学报,2001,20(2):202O207.