杨世锋

摘  要：由于近年来地铁建设的大力发展，地铁在城市内建设一定会下穿各种建筑物，为分析地铁隧道开挖对上部建筑的影响，文章以青岛地铁1号线为研究背景，利用有限元软件ANSYS建立了模型后用FLAC3D软件模拟了开挖计算，分析讨论了独立基础楼房在隧道开挖不同深度情况下，对上部建筑物的影响。研究结果表明：（1）在双隧道先后开挖情况下，先开挖隧道部分楼层变形略小于后开挖部分;（2）建筑物变形以及受到的附加应力随隧道开挖深度增加减小，若开挖到地质较差土层受影响远大于开挖硬岩地层。（3）开挖隧道会对建筑物最底层柱产生较大影响，每增加一层受力会增加一倍。

关键词：隧道开挖;数值模拟;影响分析

中图分类号：U455.4        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）25-0064-03

Abstract： Due to the rapid development of subway construction in recent years， the subway construction in the city will certainly go through all kinds of buildings. In order to analyze the influence of subway tunnel excavation on the superstructure， this paper takes Qingdao Metro Line 1 as the research background， with the finite element software ANSYS to establish the model， then uses FLAC3D software to simulate the excavation calculation， and analyzes and discusses the situation of independent foundation buildings in different depths of tunnel excavation In this case， the impact on the upper buildings. The results show that： （1） in the case of successive digging of double tunnels， the floor deformation of the first part of the tunnel digging is slightly less than that of the second part; （2） the building deformation and the additional stress are reduced with the increase of the depth of tunnel digging， if the excavation to the poor geological soil layer is far more affected than the excavation of hard rock layer; and （3） the digging of the

tunnel will have a great impact on the bottom column of the building， and the stress of each additional layer will be doubled.

Keywords： tunnel excavation; numerical simulation; impact analysis

引言

隨着我国城市交通拥堵问题变得越来越严重，城市内的地面交通在高峰时期对交通疏解能力的不足愈发严重，因此地铁建设快速发展起来，但随之而来的问题是地铁在建设过程中会下穿各种城市建筑物，国内外很多学者对此做出了研究[1-4]。涂健[5]利用数值模拟，分析研究了大断面隧道开挖过程中，隧道围岩以及管片等的受力情况。李晟[6]以某公路为背景，利用数值模拟分析了台阶法施工开挖的过程。程锦中、刘吉鹏等[7]依据西藏隧道工程，利用FLAC3D软件通过正交实验研究了不同参数对应力和位移的影响。甄卫刚、刘淑红等[8]以石家庄小净距隧道为背景，利用有限元软件ANSYS，分析模拟了不同施工方案情况下隧道周围岩石的变形以及受力情况，并且提出了合理化建议应用于实际施工当中。因此，研究隧道在地层中开挖对上部结构影响是有重要意义的，有助于工程的施工[9-10]。

1 数值分析方法

1.1 工程概况

拟建的青岛市地铁1号线工程勘察二标段小村庄站～北岭站区间线路沿人民路向北，至人民路与瑞昌路交汇处为止。区间线路主要位于人民路下方，道路两侧分布有大量的老式居民楼及商铺，楼层高约1～9层。本区间隧道底板标高-13.67～-3.96m，埋深28～36m。开挖隧道直径6.3m，管片每环1.5m。

1.2 模型建立

本文利用大型有限元数值计算软件ANSYS建立模型，依据青岛地铁1号线下穿某段楼房，楼房为五层框架结构，土层本构模型采用摩尔库伦模型，楼房的柱子、板和独立基础采用线弹性模型，模型如图1所示。同时为检测建筑物所受影响，设立6个检测点，分别为1、2、3号点检测楼顶沉降。同时设立三个监测点a、b、c检测柱子最大剪应力，如图2所示。

土体模型横向长度为100m，纵向长度为50m，隧道埋深从距离土体地面9m开始，一直到埋深40m变化。土体共分为5层，从上至下分别为素填土、粉质粘土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，厚度分别为2m、4m、8m、6m、30m。建筑物采用C30混凝土，隧道衬砌采用C50混凝土，隧道直径为6.3m，各材料力学参数如表1所示。

2 数值计算结果分析

因为本模型为二维模型，且建立模型数较多，是隧道埋深不同情况下的多个模型，因此以埋深24m时的模型为例，简要说明。图3为隧道埋深24m时的竖直方向位移云图，从图中可以看出隧道开挖后隧道下方地层会略微隆起，最大隆起量为0.055mm，隧道上部会有微小沉降，最大沉降值为0.067mm，因为隧道在岩石特性较好的花岗岩中开挖，花岗岩较为坚硬，因此各部分变形都不会对上部结构造成严重影响，且左侧隧道为先开挖部分，其上部的独立基础先受到影响。图4为最大剪应力云图，隧道左右侧最大剪应力为0.5MPa，上下最大值为0.1MPa，同时建筑底层柱最大剪力最大，最大值为0.27MPa。

图5为楼顶1、2、3号监测点的位移变化曲线，从图中可以看出三个监测点不论是数值还是趋势基本一致，说明本建筑物是整体位移，不会发生明显错动，因底层在6m以上为杂填土和粉质粘土，隧道半径为3.15m，当隧道埋深在9m-10m时，隧道会开挖到条件交叉的土，所以隧道埋深较浅时沉降明显，3号点的最大沉降量为7.63mm，当隧道开挖至11m及以下时，楼顶为以基本不变，隆起量在0.3mm上下浮动。

图6为监测点a、b、c测得最大剪应力随隧道埋深变化曲线，从本曲线可以看出1楼柱监测点测得的最大剪应力值最大，5楼最小，由此隧道开挖对建筑物底层柱影响最大，且最大剪应力同样在隧道开挖地质较差地层时最大。

3 结论

通过以上的模拟分析结果，可以得出以下结论：

（1）在双隧道先后开挖情况下，先开挖隧道部分楼层变形略小于后开挖部分。

（2）建筑物变形以及受到的附加应力随隧道开挖深度增加减小，若开挖到地质较差土层受影响远大于开挖硬岩地层。

（3）开挖隧道会对建筑物最底层柱产生较大影响，每增加一层受力会增加一倍。

参考文献：

[1]蒋亮，熊成宇.隧道施工不同台阶长度开挖数值模拟对比分析[J].公路工程，2019，44（6）：161-165.

[2]Evgenii E. Vdovin，Evgenii E. Vdovin，Konstantin S. Novoselov， et al.Resonant tunnelling spectroscopy of van der Waals heterosystems[J].Russian Chemical Reviews，2019，88（11）：1081-1093.

[3]People： Geomechanics and Tunnelling 5/2019[J].Geomechanics and Tunnelling，2019，12（5）：411-412.

[4]Content： Geomechanics and Tunnelling 5/2019[J].Geomechanics and Tunnelling，2019，12（5）：n/a-n/a.

[5]涂健.大断面隧道开挖稳定性数值模拟分析[J].筑路机械与施工机械化，2019，36（11）：52-55，61.

[6]李晟.采用台阶开挖法的隧道稳定性数值模拟分析[J].建筑安全，2020，35（2）：4-6.

[7]程锦中，刘吉鹏，陈行.基于蠕变模型隧道开挖的数值模拟研究[J].四川水力發电，2020，39（1）：66-69.

[8]甄卫刚，刘淑红，王自豪.小净距公路隧道开挖围岩变形的数值模拟[J].筑路机械与施工机械化，2019，36（8）：116-120.

[9]张少科，杨远怀，邹大晴.浅埋彪水岩软岩隧道开挖数值模拟研究[J].土木建筑工程信息技术，2019，11（6）：129-134.

[10]李悦.地铁车站隧道开挖工艺数值模拟优化分析[J].建筑工程技术与设计，2019（28）：4573-4576.