基坑开挖及附加荷载条件下复合衬砌结构力学响应研究

基坑开挖及附加荷载条件下复合衬砌结构力学响应研究

郭明俊

中铁二十五局集团第五工程有限公司 山东省青岛市

摘要：以某临近地铁高层建筑工程为研究对象，基于Mohr-Coulomb和Hoek-Brown强度准则进行基坑开挖及高层建筑施工模拟，分析了复合式衬砌结构在该工程施工条件下变形、拉压应力、环向压力和承载规律，表明：初支与二衬之间的变形不连续且环向压力分布不均匀；基坑开挖使隧道环向压力减小，其中隧道初支的拱顶部压力减小幅度最大，期间二衬几乎不承担荷载；高层建筑施工使隧道环向压力增大，当高层建筑荷载超200kPa时，二衬承载比明显增加。

关键字：基坑开挖 复合式衬砌 隧道变形 力学响应

一、引言

随着我国城市化进程的发展，地上新建构筑物与既下交通隧道结构交叉建设的情况频发，常见基坑具有开挖面积广、深度大及周边地下环境状况复杂的特[1]。我国具有明确规范对地铁隧道做出了严格保护要求[2]，因此在隧道接近程度与外部作业影响等级较高情况下严格控制隧道变形是目前岩土工程的难题之一。文献[3]~[6]采用监测数据、试验分析与数值模拟结合的方法分析了基坑开挖对既有隧道结构变形规律，表明由基坑开挖导致隧道结构水平方向的位移影响远大于竖直方向，隧道结构横断面呈“竖鸭蛋”变形趋势。文献[7] [8]分析了基坑分区、分层、分块及跳仓开挖对隧道变形的影响，表明利用时空效应的基坑开挖方式可以显著降低基坑开挖对隧道的隆起变形影响程度。

地铁保护区内基坑开挖及新建构筑物施工对地铁结构产生附加荷载及变形，采用数值模拟对此问题模拟时岩土体本构模型的选用十分重要。文献[9]结合修正Mohr-Coulomb分析基坑开挖前后隧道水平、竖向位移的变化规律及特征点并构建了"O"型和"S"型竖向变形模型。文献[10]基于HSS模型提出了仅用内摩擦角、泊松比、小应变剪切模量等7个参数就能描述不同应力路径下的岩土体复杂应力-应变关系的IGS模型，并通过Overlay模型测试了用于邻近隧道范基坑开挖三维数值模拟的可行性。文献[11]采用一种计算既有隧道形变响应的简化计算法，进一步得到基坑开挖卸荷对其下卧隧道结构影响程度的量化预测公式。

目前数值模拟的方法已普遍成为地铁保护区范围内安全评估的重要技术手段。文献[12]将地层-结构和荷载-结构法联用于PLAXIS3D和ABAQUS，发现了隧道纵向变形的2个峰值点。文献[13]对比了三维Abaqus有限元数值模拟分析法和二维规范角点法，发现二维分析方法在计算效率和计算结果的安全性均较高。文献[14]通过有限元软件分析了开挖深度对隧道的影响，并为此类工程提供借鉴和参考。文献[15]采用PFC2D对岩土体、隧道结构等进行精细化数值模拟，分析了岩土层性质对隧道变形的影响规律。

综上可知，现有的研究大多采用试验、监测、数值模拟等多种手段开展研究，较多的分析了隧道结构在基坑开挖条件下的变形规律，对隧道结构内力变化规律探讨较少。为此，本文结合某临近地铁高层建筑工程开展数值模拟研究，该工程项目场地为土岩组合地层，基坑采用桩锚支护体系，开挖深度8m，隧道埋深12m，基坑与隧道处于强近接状态，基于M-C及H-B模型研究项目整体施工过程隧道结构的力学响应规律，为该类工程的设计和施作提供一定的参考价值。

二、岩土体本构理论

Mohr-Coulomb（M-C）强度准则被广泛应用于基坑工程、道路工程、水利水电工程等岩土工程数值分析中，但该准则通常用于完整、均匀的岩土体，难以表现出节理、非均匀的复杂岩土工程环境。Hoek-Brown（H-B）强度准则不仅综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响，而且能够反映岩体的非线性破坏特征，更符合工程实际[17]。

图1Morh-Coulomb强度准则 图2 Hoek-Brown强度准则

H-B强度准则中与围岩质量有关地质强度指标GSI并不能直接得到，我国通常采用BQ法评定围岩质量，因此目前少有能够描述GSI与BQ之间联系的研究成果。但有部分学者总结了GSI与RMR，BQ与RMR之间的关系，以RMR为纽带进而得到GSI与BQ之间的关系如下式[16]：

三、数值计算模型的建立

（一）计算参数

本文结合某基坑工程，在Flac3D有限元软件中采用不同本构模型模拟不同材料。其中，区间隧道衬砌结构采用弹性模型，土体采用M-C及H-B模型。针对物性参数相近的土层进行合并处理，钢筋混凝土结构的弹性模量均采用等效刚度法进行换算。围岩物性参数与隧道结构参数见表1～3。

表1围岩M-C本构模型及计算参数

表2 围岩H-B本构模型及计算参数

表3 隧道结构计算参数

（二）模型建立

根据有限元计算特点，并考虑基坑开挖的范围及深度，选取模型计算区域为90 m × 1m × 38 m，数值计算模型如图3所示。该模型单元数为10040，节点数为15486，对于隧道结构的仿真模拟，采用抗压缩模型通过设置法向硬接触、切向无摩擦来模拟复合结构接合面之间的相互关系对复合衬砌结构防水垫层进行模拟，可较为真实地模拟接触受压后方能传递压力的特性。模型上表面即地表设为自由边界，其余各外表面均设置法线方向的位移边界条件进行约束。

图3 数值计算模型

（三）计算工况及参数验证

为探讨基坑开挖及附加荷载对隧道的影响规律，仿真模拟选取基坑开挖和附加荷载2种工况，基坑开挖分3个开挖计算步序，附加荷载分8个计算步序。

由图4～图5可知，衬砌施作过程包括初期支护及二次衬砌施作，衬砌结构最大位移为0.89mm，位于初期支护结构拱腰处，二次衬砌位移小于0.10mm。衬砌结构变形量较为合理且变形方向均指向隧道内测，证明该计算模型和结果可作为基坑开挖及附加荷载工况的初始计算模型。

图4 初期支护 图5 二次衬砌

四、数值计算结果分析

（一）变形分析

通过有限元计算，得到基坑开挖及附加荷载工况下的隧道沉降云图，如图*所示。

1.基坑开挖（隧道上覆岩土体卸载）

由图6～图8可知，基坑共分三步开挖。第一层开挖深度1.50m，衬砌结构最大位移为0.42mm，位于初期支护结构拱顶处，二次衬砌位移小于0.18mm。第二层开挖深度3.50m，衬砌结构最大位移为1.35mm，位于初期支护结构拱顶处，二次衬砌位移小于0.60mm。第三层开挖深度3.00m，衬砌结构最大位移为2.32mm，位于初期支护结构拱顶处，二次衬砌位移小于1.02mm。

衬砌结构变形量有所增大且变形方向均指向隧道上方，表明基坑开挖导致衬砌结构上覆土荷载减小，隧道结构变形呈“竖向拉伸、横向收缩”，整体向上移动。

图6 第一层开挖 图7第二层开挖

图8第三层开挖

2.附加荷载（隧道上部高层建筑施工）

由图9～图16可知，附加荷载共分八次加载，以50kPa为初次加载量及荷载增量逐次递增。第一、二次加载后，衬砌结构最大位移为0.84mm，位于初期支护结构拱顶处，二次衬砌位移小于0.44mm。第三次加载后，衬砌结构变形分布规律发生改变，衬砌结构最大位移为0.16mm，位于二次衬砌拱顶和拱腰及初期支护结构拱腰处，且二次衬砌的变形滞后于初期支护。衬砌结构变形方向发生改变，拱腰变形方向指向隧道中心，拱底变形方向指向隧道底部。第四~八次加载后，衬砌结构变形方向均指向隧道底部，衬砌结构最大位移为2.67mm，位于衬砌结构拱顶处。

衬砌结构变形方向逐渐由隧道顶部变为隧道底部，表明附加荷载的逐渐增大使隧道结构变形呈“竖向压缩、横向拉伸”，整体向下移动。

图9第一次加载（50kPa） 图10 第二次加载（100kPa）

图11 第三次加载（150kPa） 图12 第四次加载（200kPa）

图13 第五次加载（250kPa） 图14 第六次加载（300kPa）

图15 第七次加载（350kPa） 图16 第八次加载（400kPa）

（二）拉压应力分析

在施工过程中，初支主要承受压应力，当建筑荷载超过250kPa时拉应力消失，初支的最大压应力随基坑开挖明显减小，随建筑荷载的施加最大压应力逐渐增大，当上部压载达400kPa时初支的最大压应力为7.15MPa。

图17 最大拉应力 图18 最大压应力

二衬最大拉应力随基坑的开挖迅速增大，开挖至坑底时最大拉应力为377kPa，之后随高层建筑的施工，建筑荷载的逐渐增加最大拉应力先迅速减小且趋近于0，当建筑荷载超过250kPa荷载后最大拉应力缓慢增大，二衬的最大压应力在建筑荷载达200kPa前无明显变化，当建筑荷载达超过200kPa后迅速增加，且增长速率明显大于初支。

（三）环向压力分析

基坑开挖时隧道初支的环向压力减小，其中拱顶压力减小幅度最大，环向压力分布整体近似“心”形，在此期间二衬几乎不承担荷载，

图19 初支环向压力 图20 二衬环向压力

高层建筑施工时随隧道上部压载的增加初支与二衬环向压力逐渐增大,初支环向压力分布向“竖鸭蛋”形发展，二衬环向压力分布向“拱顶、拱底和拱腰大，拱肩和拱脚小”发展。

（四）承载规律

复合式衬砌荷载为围岩与初支、初支与二衬间的接触荷载，在基坑开挖及高层建筑施工初期二衬几乎不承担荷载，当上部加载达200kPa时二衬承载比逐渐提升，高层建筑施工过程中隧道拱底处二衬承载比最大，拱顶次之，拱脚处最小。

图21 荷载分担比

4 结论

本文通过Flac3D数值分析软件模拟了基坑开挖及高层建筑施工对既有隧道结构的影响，分析了开挖过程中隧道的力学响应规律，得出以下结论：

1）基坑开挖条件下最大竖向位移为2.32mm，附加荷载条件下最大竖向位移为2.67mm，均位于隧道结构顶部；初期支护与二次衬砌之间的变形不连续且二次衬砌的变形滞后于初期支护。

2）初支在附加荷载超过250kPa时拉应力消失，最大压应力随基坑开挖明显减小，当上部压载达400kPa时初支的最大压应力为7.15MPa；二衬最大拉应力随基坑的开挖迅速增大，开挖至坑底时最大拉应力为377kPa，之后随附加荷载的增加逐渐趋于0，当附加荷载超过250kPa增大，最大压应力在建筑荷载达200kPa前无明显变化，附加荷载超过200kPa后迅速增加，且增长速率明显大于初支。

3）衬砌结构的环向压力分布不均匀，基坑开挖使隧道环向压力减小，其中隧道初支的拱顶部压力减小幅度最大，期间二衬几乎不承担荷载；附加荷载使隧道环向压力增大，附加荷载超200kPa时，二衬承载比明显增加。

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作者简介：郭明俊（1984-），男，工程师。主要从事轨道施工，暗挖（矿山）法车站及区间施工。

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