基坑施工对隧道结构影响的数值模拟研究

文章编号：1009-6825 (2018) 01-0167-02

SHANXI ARCHITECTURE

山 西建筑

Vol.44No.l

Jan. 2018

• 167 •

基坑施工对隧道结构影响的数值模拟研究

解博

(山西路桥建设集团有限公司，山西太原030006)

摘要:关于复杂地层条件中基坑施工对地铁结构的影响及运营安全意义重大。以某一地铁建设工程为研究对象，通过有限元计

算模拟的手段，展开基坑的开挖及桩基施工对隧道结构位移及力学性质的影响研究。指出在基坑下部桩基的加载过程中，隧道的 应力应变变化较小，隧道底部应力变化最大,其顶部竖向位移最大，且两侧的水平位移最大。

关键词:基坑，桩基，下卧隧道

中图分类号:U451

文献标识码:A

与实际相同，三维模型服从DP屈服准则，属于非线性三维分析。 桩表面米用Targetl70目标单兀，桩周土表面米用Contactl73接触单元。

2.1材料属性

参考现场勘查资料，模型中土层分为8层，前5层为基坑开 挖部分，第⑥层为隧道上覆土层，第⑦层为隧道左右土层，底层为 隧道下部持力层，各土层参数如表1所示，隧道参数及桩体参数

取值分别如表2,表3所亦。2.2模型约束及“生死”

采用节点约束，在模型左右施加水平方向的约束，底部施加 竖向约束。模拟过程中，先施加自重应力进行计算，而后运用 “ KILL”命令进行开挖隧道模拟，运用“ EALIVE”命令激活隧道支 护单元ShelI63,认为隧道已经施工完成。最后通过“KILL”命令及

>-S SO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-O-S 9-O-S SO-S 9-O-S 9-O-SSO-S 9-C

1概述

近年来，地铁在现代社会及生活中的重要性逐渐凸显。修建

的地铁隧道结构必然错综复杂的穿梭于城市的地下空间，使得整 个地下状况更为复杂，故对于地铁结构上覆的基坑施工工作产生 较大影响，稍有不慎，将会引起地铁结构的破坏甚至更为严重的 工程事故。为保证地铁结构及运营安全，展开基坑施工对下卧地 铁结构影响方面的研究工作有重要的工程意义。

本文依托某地铁建设工程,通过有限元计算分析的方法，模 拟地铁上覆基坑施工的整个施工过程，对其上覆基坑施工对下卧 隧道结构位移及力学性质的影响进行研究。

2有限元模型

本文采用ANSYS有限元三维立体模型，土体采用8节点的

SO-S 9-O-S

SO-S 9-O-S 9-O-S

SO-S 9-O-S 9-O-S

SO-S 9-O-S

SO-S 9-O-S 9-O-S

SO-S 9-C

Soild65单元，隧道采用ShelI63单元,ShelI63的厚度设置为30 cm,

SO-S 9-O-S 9-O-S

施工。2)在进行斜拉桥上部结构施工的过程中，在对于斜拉索进 行施工的时候，由于斜拉索所承受的牵引力往往较大，所以可以 采用张拉施工的方法来进行施工，在施工的过程中，由桥面吊机 和梁端引导装置来完成施工,随着施工的不断进行，悬臂前端的 荷载会不断减少，从而有效地保证斜拉索的受力情况良好。

活动的开展都必须要以安全作为最基本的前提。只有控制好各个 技术要点，才能够使得大跨径连续桥梁的质量得到更好的保证。

5结语

由于桥梁对于交通事业的发展和基础设施建设的完善都有

着非常重要的意义，而大跨径连续桥梁作为当前最常用的一种桥 梁形式，所以必须要对于大跨径连续桥梁的施工技术引起足够的 重视，在施工的过程中把握住桥梁上部结构以及下部结构的施工 要点，对于相应的施工技术有效地进行应用，从而使得大跨径连 续桥梁的质量能够得到更好的保证。

4大跨径连续桥梁施工技术要点

在进行大跨径连续桥梁施工的过程中，必须要对于相应的施

工技术加以合理的应用才能够更好地保证桥梁的施工质量，而在 对于这些施工技术加以应用的过程中，还必须要把握相应的技术

要点，才能够更好地对于施工技术加以应用。在施工的过程中， 参考文献：

必须要重视对于大跨径连续桥梁线型的控制，避免桥梁结构在施 [1] 董军谊.浅析大跨径连续桥梁施工技术在桥梁施工中的应 工过程中出现挠曲变形以及不能够有效地进行合龙。同时还应该 注意对于桥梁结构的稳定控制，在施工过程中，必须要对于桥梁的 结构构件的局部稳定性以及整体稳定性有效地加以控制，从而更 好地保证桥梁结构的稳定性。除此之外，安全控制也是大跨径连续 桥梁施工过程中的一个技术要点，所有施工技术的应用以及施工

[2]

用[J]•中华民居,2014(21):279•

徐宝岩，王静.桥梁施工中大跨径连续桥梁施工技术的应 用[J]•江西建材,2015(11) :139,144.用[J].建筑工程技术与设计,2015(23) :361.

[3] 胡枭雄，苏栋才.桥梁施工中大跨径连续桥梁施工技术的应

Su Haitao

(Shuozhou Road and Bridge Construction Co. , Ltd, Shuozhou 036000, China)

Abstract ： The characteristics and construction points of long span continuous beam bridge construction are introduced from the aspects of stress characteristics, construction technology, foundation construction technology and upper construction technology of long-span continuous bridge, so as to provide reference experience for the first line construction.Key words ： bridge engineering, long span continuous bridge, construction technology

收稿日期=2017-10-28

作者简介:解博（1984-),男，工程师

Study on construction technology of long span continuous bridge

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第44卷第1期

2 0 1 8年1月

山西建筑

荷载步(LOADSTEP)命令进行隧道上部基坑逐步开挖的模拟，以 保证模拟现场的实际施工步骤，确保施工连续性，防止一次性开挖 导致个别单元变形过大。

表1 土层参数取值表

地层杂填土杂填土黄土状粉质粘土黄土状粉质粘土

粉质粘土粉质粘土粉质粘土（饱和土）

卵石

弹性模量A

泊松比u

Pa1.81e71.81e73.04e73.04e73.01e72.42e71.02e73.0e7

0.30.30.30.30.290.290.290.2

密度pg/ cm31 7401 7401 9401 9401 9401 9202 0102 710

凝聚力c

kPa

262630303036260

摩擦角小(°)

1818222222211630

确保地铁隧道的安全及正常营运。4

粧基加载施工计算结果分析

受桩基施工的影响，隧道顶部与底部所产生的应力为负值，

4.1 桩基施工对隧道应力影响分析结果

呈受压状态;而其内外两侧应力为正值，呈受拉状态。随桩基荷 载的增加，所有节点对应的应力均有增加，且隧道顶部及底部的 应力变化幅度比其两侧增幅偏大。桩基施工对隧道整体应力状 态的影响主要集中于其中部位置。对比基坑开挖对隧道周围应 力的影响，桩基的施工对隧道周围应力所造成的影响程度明显 偏小。

4.2桩基施工对隧道竖向位移的影响分析结果

桩基的施工使得隧道顶部底部及内外两侧均产生向下的位 移。隧道顶部所产生的沉降位移最大，两侧次之，底部位移量最

泊松比w0.16

表2

隧道材料C40

3.0ell

隧道参数取值表

密度p/g * cm-3

2 700

弹性模量五/kPa

小。随桩基分级加载的施工，隧道整体沉降量逐渐增大。桩基施 工完成后，以3 000 kN的加载增量依次递增，桩基施工完成后至 第一部加载所产生的竖向位移量最小。5

表3

隧道材料C40

3.02el0

桩体参数取值表

密度p/g • cm-3

2 650

泊松比y0.15

弹性模量五/kPa

结语

本文主要通过有限元模拟计算基坑开挖及桩基施工对隧道

2.3单元接触

桩体采用C40混凝土，属于刚性单元，桩基对称分布在隧道 两侧，属近桩施工，模型建立中，桩体采用Targetl70目标单元。桩 周土为黄土状粉质粘土，为柔性材料，故采用C〇ntactl73接触单元 模拟。每根桩和桩周土定义接触对时，接触单元和目标单元必须 为同一实常数，以实现较好接触。

结构的力学性质及位移变化的影响研究，主要结论如下：

1)

隧道上覆基坑开挖对隧道结构的应力及应变的影响明显

大于桩基的施工加载对其影响。

2) 随上覆基坑开挖，隧道周围应力均逐渐减小，且其顶部变 化最明显。隧道竖向位移变化量大于横向位移变化，隧道整体表 现为被“拉长”的趋势。

3) 转现象。

4) 化最明显。

随基坑下部桩基的加载，隧道底部应力变化量较其顶部偏

大,而其顶部产生的竖向位移变化最大，且其外侧的水平位移变

基坑开挖，隧道底部与顶部存在一定程度的水平位移差

值，即双线隧道在上覆基坑开挖影响下将产生上浮及小范围的旋

3基坑开挖计算结果分析

基坑开抱对隧道应力影响分析结果

从基坑开挖的过程中隧道周围应力的变化中可以看出，顶部

3.1

及底部应力均趋势减小，顶部变化最为明显。基坑第三次开挖 后，隧底的应力仍最大，顶部应力次之，两侧最小，符合隧道实际 应力情况。顶部的应力变化比较明显。

3.2基坑开挖对隧道竖向位移的影响分析结果

基坑开挖使得隧道周围均产生向下的位移沉降，其顶部及其 内外侧位移呈倒置钟形分布（中间大,两边小），隧底类似拱形，隧 道顶部所产生的位移量最大，较隧道外侧竖向位移，其内侧位移 值偏大。隧道在整体上浮的同时伴随着较小的自身变形。

基坑开挖对于隧道的影响主要在于基坑开挖前期，在基坑未 开挖时，隧道承受上部土层的自重应力作用，第一次开挖完成后， 上部土层荷载减少，相当于给隧道结构卸载，此时隧道结构会因 为隧道底部和顶部的压力差，而产生“上浮”现象。故基坑防护的 重点在于前期施工过程中对于隧道上浮情况的监测及防护工作 的进行，只有精准的监测，及时对隧道的具体情况进行分析，才能

参考文献：

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[D].南京：南京林业大学，2007.

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工业建筑,2002,32(5):53-56.

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Numerical simulation study on the subway

tunnel structure influenced by the foundation construction

Xie Bo

(Shanxi Road and Bridge Construct Co. , Ltdy Taiyuan 030006, China)Abstract: The effect of foundation pit construction in the complex formation conditions for subway structure and operational safety has been of

great significance. A metro construction project as the research object, the study on the impact of the excavation of foundation pit and piling con­struction for the displacement and mechanical properties of the tunnel structure is carried out by means of finite element simulation. As the pile foundation load is increasing under the foundation pit bottom, the pressure and stress variation at the bottom of the tunnel is greater than the top of the tunnel. The maximize vertical displacement change of the tunnel is the top of the tunnel. The maximize horizontal displacement change of the tunnel is in the lateral tunnel.Key words： foundation pit, pile foundation, tunnel structure