CN108460185A - 基坑开挖施工对邻近既有公路隧道及电力管线影响数值分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于基坑工程领域，具体涉及基坑开挖施工对邻近既有公路隧道及电力管线影响数值分析方法。本发明主要针对基坑开挖对邻近既有公路隧道、联络通道与电力管线的影响，同时利用Plaxis 3D有限元建立模型进行数值分析，对基坑开挖后，基坑周边土体、围护结构、公路隧道、联络通道、电力管线的沉降与变形，从轴力图、弯矩图、位移图以及变形图对其进行数值分析，从而了解对基坑开挖对周边既有隧道和管线影响的规律，从而可以对实际工况的位移和内力等进行有效分析。

Description

基坑开挖施工对邻近既有公路隧道及电力管线影响数值分析 方法

技术领域

本发明属于基坑工程领域，具体涉及基坑开挖施工对邻近既有公路隧道及电 力管线影响数值分析方法。

背景技术

目前，我国城市隧道建设蓬勃发展，越来越多的隧道已经建成或是正处于建 设中。而且在城市化的进程中，地下管线也是错综复杂的浅埋于地下。因此，越 来越多的基坑开挖，不可避免的遇到与隧道和管线邻近。因此，准确的评估基坑 开挖对邻近既有隧道和管线的影响，成为当下施工、建筑、设计等单位需要解决 的问题之一。

基坑的开挖必定会使周边土体的初始应力发生改变，从而对邻近隧道和管线 产生一定的影响，甚至引起隧道衬砌开裂渗漏，带来安全隐患，威胁隧道的正常 运行；以及引起电力管线破坏，影响市民的日常生活，增加了城市的经济损失。 且隧道中联络通道起着连通、排水及防火等作用，若一条隧道整体出现问题，行 人可通过连接通道转移到另外一条隧道。若联络通道发生变形，则会对行人的逃 生、防火等正常功能的使用产生影响。

目前基坑开挖的影响研究，主要还是仅针对隧道的变形，对基坑附近的管线， 以及上下行公路隧道中联络通道变形的综合研究较少。且该公路隧道的围岩性质 是属于岩石，对处于该围岩性质的公路隧道变形的影响研究较少。基坑开挖会使 周围土体产生应力重分布，实际工况中会遇到许多管线浅埋于地下，或者是邻近 隧道中有联络通道的情况，基坑开挖会对这些地下建筑产生影响。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基坑开挖施工对邻近既有公路 隧道及电力管线影响数值分析方法。

基坑开挖施工对邻近既有公路隧道及电力管线影响数值分析方法，包括如下 步骤：1)利用Plaxis 3D有限元软件确定土层本构模型；2)通过Plaxis 3D有限 元数值模拟软件，建立基坑、上下行公路隧道及联络通道、电力管线的三维模型， 并通过勘察报告提供土体参数及施工单位所提供的围护结构、隧道衬砌、电力管 线结构，坑内支撑和压顶梁的参数，根据上述参数进行建模，并开挖；3)分析 基坑周边土体、围护结构、公路隧道、联络通道、电力管线的沉降和变形趋势， 从而得出对邻近公路隧道和电力管线的影响结果，最后得出相应的数值模拟分析。

所述步骤1)中的土层本构模型采用HS模型。

所述步骤HS模型包括如下参数：通过三轴固结排水剪切试验得到土层的三轴 加载刚度，通过三轴固结排水卸载-再加载试验得到土层的三轴卸载刚度，通过 三轴固结排水试验得到各土层的固结加载刚度，通过三轴固结排水剪切试验得到 土层的应力摩尔圆，从而获取土层的内聚力c、内摩擦角φ。

所述步骤2)中的通过Plaxis 3D有限元数值模拟建立三维模型，其步骤包括： 将基坑围护简化成板单元；基坑仅设置一道混凝土支撑；在围护桩、水泥土、隧 道、管线与土之间设置界面，以计算扰动影响，并满足止水要求。

所述的基坑围护的外坑围护为一排三重管高压旋喷桩φ700@110，内坑围护为 一排钻孔灌注桩φ800@1100；所述的三维模型底部的约束条件为水平、竖直方向 都固定，两侧约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。

所述步骤2)中的计算参数模拟，具体包括步骤如下：在Plaxis 3D土体采用 土的实体单元和界面单元模拟，数值模拟采用的土体参数由勘察报告提供；侧应 力系数或者输入-1由Plaxis软件自动计算生成；可取m＝＝0.5～0.6； 土体HS模型可按以下经验公式取参数：E₅₀＝5E_S，E_oed＝E₅₀，E_ur＝4～6E₅₀；围护结构、 隧道衬砌和电力管线结构采用板单元模拟，坑内支撑和压顶梁采用梁单元模拟。

计算HS模型参数时将所述模型分为五个土层，分别为杂填土、粉质粘土、粉 质粘土混砾石1、粉质粘土混砾石2和全风化泥质粉砂岩。

所述步骤2)中的基坑开挖模拟具体包括如下步骤：①初始应力状态，对土 体施加重力，生成初始地应力；

②开挖两条隧道和联络通道，激活衬砌，开挖电力管线，平衡地应力，使得 土体的位移保持“准零状态”；

③完成基坑围护结构施工，顶部放坡至距地表1.5m；

④开挖第一层土体到地面下3.9m处，同时施工压顶梁；

⑤施工基坑钢筋混凝土内支撑和围檩；

⑥开挖土体到坑底距地表9.9m处。

本发明所提供的技术方案为：基坑开挖施工对邻近既有公路隧道及电力管线 影响数值分析方法，首先，Plaxis 3D有限元软件的土层本构模型选取HS模型， 即硬化土模型，是一种各向同性硬化塑性模型。然后通过Plaxis 3D有限元数值 模拟建立基坑、上下行公路隧道及联络通道、电力管线的三维模型，并对该模型 进行基坑开挖的模拟，分析基坑周边土体、围护结构、公路隧道、联络通道、电 力管线的沉降和变形趋势，从而得出对邻近公路隧道和电力管线的影响结果，最 后得出相应的模拟数值；其具体步骤包括以下步骤：

(1)Plaxis 3D的土层本构模型确定：

土体采用HS模型，即Hardening-Soil模型，中文简称为硬化土模型，是一 种各向同性硬化塑性模型。在基坑开挖中，坑槽底部的土体受到卸载作用，因而 表现的相对较硬；墙边的土主要承受剪切应力，因而表现的刚度较小；尽管这些 土体行为可以通过对基坑边和底部的土体应用不同的土体参数来模拟，但采用 HS模型可以更准确可靠地描述土体行为。

HS模型的基本特征是土体刚度与应力相关，当应力和应变式在固结仪条件 下，模型的隐含关系式：

在软土中，使用m＝1，则修正压缩指数和固结仪加载模量分别为：

类似的，卸载/再加载模量也与修正指标有关，近似关系为：

HS模型的参数包括：

三轴加载刚度(三轴固结排水试验割线模量)：通过三轴固结排水试验，在 参考应力(即试验中的围压)P_ref＝100(kPa)时，得到各土层试样的应力-应变 关系曲线图，按照土工试验方法标准，取轴向应变为15％的点所对应的偏应力值 作为破坏值q_f。连接原点和0.5q_f所对应点的直线斜率即为试样的割线模量E₅₀。

三轴卸载刚度(卸载-再加载模量)：在卸载-再加载过程中各土层试样的应 力-应变关系均表现为一个滞回圈，连接滞回圈两端点的直线斜率，即表示围压 100kPa下试样的卸载-再加载模量E_ur。

固结仪加载刚度(切线压缩模量)：通过三轴固结排水试验，得到各土层试 样的荷载-应变关系曲线图，将曲线拟合成函数关系表达式，对函数求导即可分 别得到荷载P为100kPa时，各曲线切线的斜率值，该值即为固结试验的切线模 量E_oed。

模量应力相关幂指数：m；

参考应力：P_ref；

侧应力系数：K_onc；

其他参数：由其他围压下进行三轴固结排水剪切试验，得到各土层的应力摩 尔圆，从而获取内聚力c、内摩擦角等。

(2)有限元数值模拟三维模型建立

以实际的施工项目作为建模的基础，该项目基坑邻近已建设有公路隧道和电 力管线。基坑外坑围护为一排三重管高压旋喷桩φ700@110，内坑围护为一排钻 孔灌注桩φ800@1100，按刚度等效原则简化成板单元，基坑仅设置一道混凝土 支撑。在围护桩、水泥土、隧道、管线与土之间设置界面，以计算扰动影响，并 满足止水要求。模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定，两侧约束条件为 水平方向固定，竖直方向自由。

(3)计算参数模拟

Plaxis 3D中土体采用土的实体单元和界面单元模拟，数值模拟所采用的土体 参数由勘察报告提供。计算时为了简化模型，将土层简化为分布均匀，模型总共 分为五个土层。分析模型中土体采用HS模型，HS模型参数可根据勘测报告提供 的数据进行推导算出。侧应力系数或者直接输入-1由Plaxis软件自 动计算生成；分析时可取幂指数m＝0.5～0.6。通过各土层土样的三轴固结排水剪 切试验、三轴固结排水加载-卸载-再加载试验以及标准固结试验可得到各土层的 土体的硬化模型参数，通过数据汇总则可以整理得出：土体HS模型可按以下经 验公式取参数：E₅₀＝5E_S，E_oed＝E₅₀，E_ur＝4～6E₅₀。

围护结构、隧道衬砌、电力管线结构，坑内支撑和压顶梁均为钢筋混凝土结 构，弹性模量大，受力后主要表现为弹性变形，因此采用弹性模型计算。其中， 围护结构、隧道衬砌和电力管线结构采用板单元模拟，坑内支撑和压顶梁采用梁 单元模拟。

(4)基坑开挖施工模拟，包括以下步骤：

①初始应力状态，对土体施加重力，生成初始地应力。

②开挖两条隧道和联络通道，激活衬砌，开挖电力管线，平衡地应力，使得 土体的位移保持“准零状态”。本模型旨在研究基坑开挖对隧道和管线的影响， 因此将本工况产生位移归零，仅保留初始应力场。

③完成基坑围护结构施工，顶部放坡至距地表1.5m。

④开挖第一层土体到地面下3.9m处，同时施工压顶梁。

⑤施工基坑钢筋混凝土内支撑和围檩。

⑥开挖土体到坑底距地表9.9m处。

(5)对隧道和管线的影响结果

对土体变形、围护结构变形、隧道变形以及其联络通道变形、电力管线变形， 通过Plaxis有限元软件进行数值分析，从轴力、弯矩、位移和变形图方面进行综 合分析，得出基坑开挖对邻近隧道，联络通道和电力管线的影响结果。

本发明主要针对基坑开挖对邻近既有公路隧道、联络通道与电力管线的影响， 同时利用Plaxis 3D有限元建立模型进行数值分析，对基坑开挖后，基坑周边土 体、围护结构、公路隧道、联络通道、电力管线的沉降与变形，从轴力图、弯矩 图、位移图以及变形图对其进行数值分析，从而了解对基坑开挖对周边既有隧道 和管线影响的规律。

本发明，则着重于考虑管线以及上下行隧道联络通道的变形的数值影响分析。

本发明通过Plaxis 3D有限元软件，建立模型，分析基坑开挖对邻近既有隧 道和管线的影响，对实际工程具有重要的参考意义，有助于相似基坑工程对周围 既有管线、隧道以及联络通道的影响，做出应对措施。

本发明与现技术相比，具有如下优点与有益效果：

在研究分析中，主要利用Plaxis 3D有限元进行模拟分析，较为精确的模拟出 邻近隧道、联络通道和电力管线沉降与变形的情况，从而可以对实际工况的位移 和内力等进行有效分析。对一些基坑开挖对隧道变形影响的研究中未考虑到电力 管线和联络通道的综合情况，可以得到相当的参考价值。且当基坑的规模、形状 发生变化时，对比联络通道、电力管线和隧道的沉降和变形图，可较为直观地分 析基坑开挖对这些地下建筑的影响因素。

附图说明

图1为三维模型图示意图，1a为有限元模型示意、1b为有限元模型网格划分、1c 为区间隧道、电力管线与基坑的相对位置关系。

图2为基坑开挖步骤示意图，2a为基坑开挖第一步,2b为基坑开挖第二步，2c为基坑开挖第三步，2d为基坑开挖第四步、2e为基坑开挖第五步、2f为基坑开挖第六 步。

图3为基坑开挖完成的示意图，3a基坑开挖完成后变形网络图(放大200.0倍)、 3b基坑开挖完成后土体位移云图(最大值25.71mm)。

图4为围护结构示意图，4a围护结构变形网络图(放大500.0倍)、4b围护结构位 移云图(最大值18.82mm)、4c围护结构轴力图、4d围护结构弯矩图。

图5是内支撑示意图，5a内支撑变化网络图(放大200.0倍)、5b内支撑轴力图、 5c内支撑弯矩图。

图6为隧道示意图，6a隧道变形网络图(放大5.0×103倍)、6b隧道y方向位移云 图(最大值2.212mm)、6c隧道z方向位移云图(最大沉降值1.293mm)。

图7是联络通道示意图，7a联络通道y方向位移云图(最大值0.5314mm)、7b联络 通道z方向位移云图(最大沉降值0.3637mm)、7c联络通道弯矩图、7d联络通道 剪力图。

图8是管线示意图，8a管线变形网络图(放大2.0×103倍)、8b管线位移云图(最 大值5.157mm)、8c管线轴力图、8d管线弯矩图。

图9为数值模拟流程图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明的数值分析方法进行进一步的说明：

本实例为杭州汽车西站基坑开挖对邻近紫之隧道和管线的影响，并进行数值 分析，具体是：首先，Plaxis 3D有限元软件的土层本构模型选取HS模型，即硬 化土模型，是一种各向同性硬化塑性模型。通过勘察报告取得计算参数，将实际 工况进行简化。然后通过Plaxis 3D有限元数值模拟建立基坑、上下行公路隧道及 联络通道、电力管线的三维模型，并对该模型进行基坑开挖的模拟，分析基坑周 边土体、围护结构、公路隧道、电力管线的沉降和变形趋势，从而得出对邻近公 路隧道和电力管线的影响结果，最后得出相应的模拟数值；其具体步骤包括以下 步骤：

1.Plaxis 3D的土层本构模型确定：

土体采用HS模型，即Hardening-Soil模型，中文简称为硬化土模型，是一 种各向同性硬化塑性模型。在基坑开挖中，坑槽底部的土体受到卸载作用，因而 表现的相对较硬；墙边的土主要承受剪切应力，因而表现的刚度较小；尽管这些 土体行为可以通过对基坑边和底部的土体应用不同的土体参数来模拟，但采用 HS模型可以更准确可靠地描述土体行为。

HS模型的基本特征是土体刚度与应力相关，当应力和应变式在固结仪条件 下，模型的隐含关系式：

在软土中，使用m＝1，则修正压缩指数和固结仪加载模量分别为：

类似的，卸载/再加载模量也与修正指标有关，近似关系为：

HS模型的参数包括：

三轴加载刚度(三轴固结排水试验割线模量)：通过三轴固结排水试验，在 参考应力(即试验中的围压)P_ref＝100(kPa)时，得到各土层试样的应力-应变 关系曲线图，按照土工试验方法标准，取轴向应变为15％的点所对应的偏应力值 作为破坏值q_f。连接原点和0.5q_f所对应点的直线斜率即为试样的割线模量E₅₀。

三轴卸载刚度(卸载-再加载模量)：在卸载-再加载过程中各土层试样的应 力-应变关系均表现为一个滞回圈，连接滞回圈两端点的直线斜率，即表示围压 100kPa下试样的卸载-再加载模量E_ur。

固结仪加载刚度(切线压缩模量)：通过三轴固结排水试验，得到各土层试 样的荷载-应变关系曲线图，将曲线拟合成函数关系表达式，对函数求导即可分 别得到荷载P为100kPa时，各曲线切线的斜率值，该值即为固结试验的切线模 量E_oed。

模量应力相关幂指数：m；

参考应力：P_ref；

侧应力系数：K_onc；

其他参数：由其他围压下进行三轴固结排水剪切试验，得到各土层的应力摩 尔圆，从而获取内聚力c、内摩擦角φ等。

2.有限元数值模拟三维模型建立

本实例有限元数值模拟三维模型建立如图1a所示，模型长230m，宽180m， 高40m。项目基坑为异型基坑基，坑长约150m，宽约43m，深9.9m。该项目基 坑邻近已建设的隧道和管线。紫之隧道两条上下行线，中间以一条联络通道连接， 隧道顶部埋深18.1m，与基坑围护结构最小距离2.5m。管线结构如图1c所示， 侧面离基坑较近，最小净距约为3m。基坑外坑围护为一排φ700@110mm的三重 管高压旋喷桩，内坑围护为一排φ800@1100mm的钻孔灌注桩，按刚度等效原 则简化成板单元，基坑仅设置一道混凝土支撑。在围护桩、隧道、管线与土层之 间设置界面，以计算扰动影响，并满足止水要求。模型底部的约束条件为水平、 竖直方向都固定，两侧约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。有限元模型网 格划分如图1b所示(本实施例中具体的有限元模型网格划分是按照本领域一般 公知技术来划分，网格划分是软件自行生成)，区间隧道、电力管线与基坑的相 对位置关系如图1c所示。(在图1b和图1c只是对基坑、区间隧道、电力管线的 形状及他们之间相对位置的确定，其目的是为了方便在后续的基坑开挖施工模拟 时，就按照图1b和图1c所确定的三维模型图进行开挖，在图1b和图1c中并没 有对该模型进行施加初始应力。)

3.计算参数模拟

在Plaxis 3D中土体采用土的实体单元和界面单元模拟，表1所列内容为数值 模拟采用的土体参数，其参数由勘察报告提供。计算时为了简化模型，将土层简 化为分布均匀，模型总共分为五个土层。根据杭州地区经验弹性模量E一般可以 取3～5倍Es。分析模型中土体采用HS模型，HS模型参数可根据勘测报告提供的数 据进行推导算出。侧应力系数或者直接输入-1由Plaxis自动计算 生成；分析时可取m＝0.5～0.6。土体HS模型可按以下经验公式取参数：E₅₀＝5E_S， E_oed＝E₅₀，E_ur＝4～6E₅₀。

表1三维分析土体计算参数表

模型分为5个土层，分别是：杂填土，粉质粘土，粉质粘土混砾 石10‐1，粉质粘土混砾石10‐2，全风化泥质粉砂岩，根据勘察报告CAD 柱状图得到。

围护结构、隧道衬砌、电力管线结构，坑内支撑和压顶梁均为钢筋混凝土结 构，弹性模量大，受力后主要表现为弹性变形，因此采用弹性模量计算。其中， 围护结构、隧道衬砌和电力管线结构采用板单元模拟，坑内支撑和压顶梁采用梁 单元模拟，计算参数如表2所示。

表2围护结构、内支撑、隧道衬砌计算参数表

4.基坑开挖施工模拟，以表1、表2为基础参数，如图2a～2f，包括以下步骤：

①以表1的土层参数建立模型，通过软件设置初始应力状态，对土体施加重 力，生成初始地应力。(在该步骤中，参见图2a，对土体初始应力的生成按照表1 中各个土层的参数建立的土体，建立完成的土体就产生了初始应力；在该图中及 以下的图中的网格划分根据图1b中的网格来进行划分的)

②开挖两条隧道和联络通道，激活衬砌，开挖电力管线，平衡地应力，使得 土体的位移保持“准零状态”。本模型旨在研究基坑开挖对隧道和管线的影响， 因此将本工况产生位移归零，仅保留初始应力场。

③完成基坑围护结构施工，顶部放坡至距地表1.5m。

④开挖第一层土体到地面下3.9m处，同时施工压顶梁。

⑤施工基坑钢筋混凝土内支撑和围檩。

⑥开挖土体到坑底距地表9.9m处。

5.对隧道和管线的影响结果

对土体变形、围护结构变形、隧道变形以及其联络通道变形、电力管线变形， 通过Plaxis有限元软件进行数值分析，从轴力、弯矩、位移和变形图方面进行综 合分析研究，得出基坑开挖对邻近隧道、联络通道和管线的影响结果。

5.1.土体变形结果

如图3a所示为基坑开挖完成后变形网络图，从图中可明显看出内支撑有变形 的现象。究其原因，是因为基坑开挖导致的土中应力不平衡引起的坑外土体侧向 移动，而对基坑支撑体系带来了内压力。同时，可以看到基坑内侧坑底土体隆起， 坑外侧土体小范围内沉降，向坑内移动。见图3b的位移云图，可证实土体的变形 即如上所述，最大变形出现在坑底的y方向两侧，隆起值为25.71mm，表明基坑 开挖卸荷作用引起的变形是十分可观的，在实际施工过程中需要及时浇筑底板控 制基底隆起。而且对于狭长型的基坑，长边处的土体位移相对短边要大得多，基 坑外土体的侧向位移最大约为18mm，这也是基坑开挖的另一表现，表明针对不 同的基坑类型要合理设计围护结构以保障结构安全。通过云图也可看到其影响范 围达基坑侧边±20m，此有必要对项目基坑周边一定范围的建(构)筑物进行分析影响，并对危险区域进行保护和加固。

5.2.围护结构变形结果

由图4a～图4b所示的围护结构位移变形网络图和云图可知，其确实起到了挡 土效果，围护结构发生向基坑内的移动，最大位移18.82mm。同时，由云图颜色 可知靠近基坑四周侧的相对位移较小，主要集中在中间位置特别是基坑开挖至坑 底上部一些位置处达到最大位移，最大变形位置基本处于坑底处。因为土的侧向 压力随着深度的增加而增加，在失去力平衡的最深处侧向挤土效应最明显。由图 4c～图4d的围护结构内力图可知，最大正轴力为1371kN，最大负轴力为-1364kN， 最大正弯矩为562.7kN·m，最大负弯矩为-423.0kN·m。结合围护结构变形及内力 图也可证实了狭长型基坑长边受力和变形较短边更大。

由图5a可知，内支撑体系在基坑开挖完成后发生了如图所示的变化，这是由 于侧向挤土作用导致支撑体系两侧均受压而发生的弯曲。图5b中可知，内支撑最 大正向轴力1142kN，最大负向轴力-4783kN，图5c中，内支撑最大正弯矩 489.9kN·m，最大负弯矩-214.4kN·m。

5.3.隧道及联络通道变形结果

由图6a所示的隧道变形网络图可知隧道的变形趋势，整体朝着基坑移动，且 断面被压扁弯曲，同时紧邻基坑侧的隧道相较于远离基坑侧隧道变形大得多，这 使得联络通道发生一定程度上弯。上述变化表明基坑的开挖造成土层内部受力不 平衡而引发位移会给邻近的隧道带来影响，极易引发隧道变形。

从图6b～图6c可知，沿着y方向(即垂直基坑方向)，远离基坑侧的隧道几乎 不受影响，而紧邻基坑侧的隧道主要表现为向基坑方向的移动，且最大位移为 2.212mm，最大变形位置是在与基坑相邻的中间区段，远离基坑的远端位移较小， 变形影响范围约为160mm左右。沿着z方向远离基坑侧的隧道稍有小沉降变形， 而紧邻一侧隧道则主要表现为最大沉降值1.293mm，变形位置也是与基坑相邻的 中间段，变形影响范围约为170mm左右。因此，在邻近该项目基坑的隧道应针对 影响范围内的变形进行合理的控制和保护。

特别的，为了研究联络通道的变形特性，见图7a～图7b所示，联络通道y方向 也发生小幅度偏移，最大值为0.5314mm。在z方向出现整体弯曲，这是因为隧道 发生沉降而导致接连的通道处发生沉降，最大沉降值为0.3637mm，从而出现两 侧下弯，中部上弯的现象。

图7c为联络通道弯矩图，由该图也可知其弯曲变形情况，在通道的顶部和侧 面弯矩较大，最大正弯矩值为1713kN·m，最大负弯矩值为-538.6kN·m，同时结 合图7d剪力图可知，联络通道与隧道的两个连接处有明显的应力集中现象，剪力 在该处达到最大，分别为最大正剪力为2892kN，最大负剪力为-2570kN。因此， 有必要密切关注联络通道的连接处的受力及位移变化，以保障隧道的安全性。

5.4.管线变形结果

由图8a的管线变形网络图可知，管线结构在紧邻基坑的弯角处发生较大侧向 变形和沉降。这是因为管线作为浅埋结构，敏感性较高，易受到土体变形的影响 而发生大变形，同时，从相对位置关系图中可以看出该管线与项目基坑的线性距 离较短，也会不可避免地造成附加影响。因此，紧邻基坑一侧的管线结构受到侧 向和上覆土体位移影响。由图8b的位移云图亦可知管线的最大变形位移值为 5.157mm。

如图8c～图8d所示，管线的最大正向轴力116.7kN，最大负向轴力-98.98kN； 管线的最大正弯矩16.83kN·m，最大负弯矩-22.03kN·m。由云图易知，管线结构 侧面弯矩较小，顶部与底部受到弯矩而发生弯曲变形。

本次数值模拟分析，对西站项目基坑工程进行了三维分析，考虑了联络通道、 电力管线的共同影响。根据本模拟方法，可以计算得到在相似基坑工程工况下， 基坑开挖引起的隧道及电力管线的沉降和变形规律。

对土体的影响：基坑开挖引起坑底土体出现最大隆起变形为25.71mm，基坑 外土体的侧向位移最大约为18mm。对于该狭长型的基坑，长边处的土体位移相对 短边要大得多。围护结构为钻孔灌注桩，变形主要集中在中间位置特别是基坑开 挖至坑底上部一些位置，围护结构发生向基坑内的移动，最大位移18.82mm，最 大轴为1371kN，最大弯矩为562.7kN·m。而基坑内支撑体系也在基坑开挖过程中 受压而发生弯曲，其最大轴力4783kN，最大弯矩为489.9kN·m。

对邻近隧道的影响：隧道双线整体朝着基坑移动，且断面被压扁弯曲，同时 紧邻基坑侧的隧道相较于远离基坑侧隧道变形大得多。以紧邻基坑一侧隧道为例， 基坑开挖完成后，隧道最大水平变形为2.212mm，最大沉降值为1.293mm，主要位 于与基坑相邻的区段。联络通道也发生小幅度偏移和弯曲，同时联络通道与隧道 的两个连接处有明显的应力集中现象。

对邻近管线的影响：基坑在施工完成后，管线结构在紧邻基坑的一侧发生较 大侧向变形，而在远离基坑一侧管线发生沉降，最大变形位移值为8.340mm。

从以上分析得知，本模拟方法所建立的三维数值模型的计算结果符合工程实 际的。同时，通过本模拟方法获取的基坑开挖对隧道及联络通道和电力管线的影 响规律，对于指导现场安全施工以及降低施工风险具有重要的实际指导意义。

Claims (8)

1.基坑开挖施工对邻近既有公路隧道及电力管线影响数值分析方法，其特征在于：包括如下步骤：1)利用Plaxis 3D有限元软件确定土层本构模型；2)通过Plaxis 3D有限元数值模拟软件，建立基坑、上下行公路隧道及联络通道、电力管线的三维模型，并通过勘察报告提供土体参数及施工单位所提供的围护结构、隧道衬砌、电力管线结构，坑内支撑和压顶梁的参数，根据上述参数进行建模，并开挖；3)分析基坑周边土体、围护结构、公路隧道、联络通道、电力管线的沉降和变形趋势，从而得出对邻近公路隧道和电力管线的影响结果，最后得出相应的数值模拟分析。

2.根据权利要求1所述的数值分析方法，其特征在于：所述步骤1)中的土层本构模型采用HS模型。

3.根据权利要求2所述的数值分析方法，其特征在于：所述步骤HS模型包括如下参数：通过三轴固结排水剪切试验得到土层的三轴加载刚度，通过三轴固结排水卸载-再加载试验得到土层的三轴卸载刚度，通过三轴固结排水试验得到各土层的固结加载刚度，通过三轴固结排水剪切试验得到土层的应力摩尔圆，从而获取土层的内聚力c、内摩擦角φ。

4.根据权利要求1或2所述的数值分析方法，其特征在于：所述步骤2)中的通过Plaxis3D有限元数值模拟建立三维模型，其步骤包括：将基坑围护简化成板单元；基坑仅设置一道混凝土支撑；在围护桩、水泥土、隧道、管线与土之间设置界面，以计算扰动影响，并满足止水要求。

5.根据权利要求4所述的数值分析方法，其特征在于：所述的基坑围护的外坑围护为一排三重管高压旋喷桩φ700@110，内坑围护为一排钻孔灌注桩φ800@1100；所述的三维模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定，两侧约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。

6.根据权利要求1或2所述的数值分析方法，其特征在于：所述步骤2)中的计算参数模拟，具体包括步骤如下：在Plaxis 3D土体采用土的实体单元和界面单元模拟，数值模拟采用的土体参数由勘察报告提供；侧应力系数或者输入-1由Plaxis软件自动计算生成；可取m＝＝0.5～0.6；土体HS模型可按以下经验公式取参数：E₅₀＝5E_S，E_oed＝E₅₀，E_ur＝4～6E₅₀；围护结构、隧道衬砌和电力管线结构采用板单元模拟，坑内支撑和压顶梁采用梁单元模拟。

7.根据权利要求2所述的数值分析方法，其特征在于：计算HS模型参数时将所述模型分为五个土层，分别为杂填土、粉质粘土、粉质粘土混砾石1、粉质粘土混砾石2和全风化泥质粉砂岩。

8.根据权利要求1或2所述的数值分析方法，其特征在于：所述步骤2)中的基坑开挖模拟具体包括如下步骤：①初始应力状态，对土体施加重力，生成初始地应力；

②开挖两条隧道和联络通道，激活衬砌，开挖电力管线，平衡地应力，使得土体的位移保持“准零状态”；

③完成基坑围护结构施工，顶部放坡至距地表1.5m；

④开挖第一层土体到地面下3.9m处，同时施工压顶梁；

⑤施工基坑钢筋混凝土内支撑和围檩；

⑥开挖土体到坑底距地表9.9m处。