摘  要: 随着城市地铁工程的高速发展，地面建筑物基坑的施工将必然会对邻近的地铁隧道造成一定的影响，运用Midas GTS 三维数值模拟计算软件分析基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，对地层自重固结、基坑开挖施工的整个过程进行模拟分析，计算的结果与实际监测数据进行对比表明，该方法对实际工程有一定的指导意义。

关键词: Midas GTS; 基坑开挖; 地铁隧道; 三维数值模拟; 影响分析

 

      目前，城市地铁工程进入快速发展时期，地铁线路已逐渐遍布城市地下各处，而地面上的建筑施工工程，特别是基坑开挖工程，其规模和开挖深度都在不断增加，这势必对邻近的地铁隧道产生一定的影响，而已运营的地铁隧道对自身的变形要求也极为严格，所以很多情况下都需要计算评估基坑开挖对地铁隧道的影响，而三维数值模拟成为该计算领域重要的手段，其应用也逐渐得到推广。

 

      Midas GTS 软件作为韩国浦项集团公司的主打产品之一，主要针对岩土隧道领域的结构分析所需要的功能直接开发的程序，该计算软件具有快速直观的三维建模、快速准确的自动网格生成、专业的岩土分析功能和直观的分析结果等特点，已越来越多地应用到岩土工程领域。

      本文将运用 Midas GTS 三维数值模拟方法进行计算评估基坑开挖对地铁隧道的影响，采用的技术路线如下:

      ( 1) 在获得建筑物施工前场地初始地应力场和地铁区间隧道结构初始受力状态的基础上，进行土体自重固结、基坑开挖施工整个过程的三维动态模拟。

      ( 2) 分析建筑荷载施加过程中地铁区间隧道结构的受力发展过程，确定建筑物施工过程区间隧道结构的最大应力增量，并计算区间隧道结构的最大受力，分析建筑物施工对地铁区间隧道结构的受力影响，并评估区间隧道结构的安全状态。

      ( 3) 分析建筑荷载施加过程中地铁区间隧道结构的位移发展过程，确定建筑物施工过程区间隧道结构的最大位移增量，分析建筑物施工对地铁区间隧道结构的受力影响，并评估区间隧道结构的安全状态。

 

 

      如图 1 所示，模型尺寸为长 × 宽 × 高 =110 m ×80 m × 45 m，其中，隧道直径 6 m，模型沿轴线方向长 65 m，根据圣维南原理，隧洞两侧各延伸 5 倍洞径以避免边界效应，模型共划分 110806 个单元。模型自上而下各土层依次为人工填土、粉粘土、粉砂、粉质粘土和全风化泥岩，各层厚度依次为 1. 5、3. 1、1. 0、16. 5 和 23. 9 m。

      为了获得模型所处环境的初始应力场，需要进行整个模型范围内的土体在自重作用下的固结过程模拟。为此，固定模型左右和下方边界，模型上部边界设为自由端。针对本次分析的范围内土体性质，按照工程勘察资料赋予各土层相应的参数，使土体在自重应力作用下平衡，可得到整个模型范围内土体的初始应力场。

      随着地层自重固结应力状态稳定后，对地层和地铁隧道结构的位移进行清零，接着利用软件对基坑开挖以及修建连续墙、内撑、立柱的每个工序进行模拟，可以采用修正摩尔 － 库伦本构模型进行计算出基坑开挖后地铁隧道结构在各个方向产生的位移情况，如图 3 ～5 和表 1 所示。

      从计算结果可以得出以下结论:

      ( 1) 在基坑开挖的过程中，土体开挖卸荷作用对邻近地铁隧道结构的位移影响表现为: 地铁结构的变形以水平变形为主，竖向变形较小。基坑开挖过程中，各结构水平变形方向为朝向基坑; 开挖至基坑底部时，各地铁结构变形量达到最大值。地铁区间隧道和车站主体结构在基坑开挖卸荷作用下的竖向位移表现为沉降，风亭和出入口结构竖向变形表现为轻微隆起。

      ( 2) 在不同开挖工况下，开挖卸荷对地铁隧道结构影响较大，拆撑和换撑施工对基坑围护结构影响较大，地铁隧道结构产生的位移随着开挖深度的增加而增大。

      ( 3) 基坑施工造成紧邻地铁隧道结构靠近基坑侧的土压力发生水平侧向卸载和竖向卸载，导致地铁隧道结构朝基坑内发生一定程度的水平侧向位移和竖向变形，隧道结构位移以水平侧向位移为主。基坑开挖所导致的地铁隧道的最大水平侧向位移为3. 81 mm，竖向最大沉降量为 1. 97 mm，最大总变形为 3. 89 mm，地铁隧道结构的最大变形量可控制在5 mm 以内，属于安全范围内。

      综上所述，可认为基坑开挖会造成邻近地铁隧道结构发生一定程度的水平侧向位移和竖向位移，并将造成紧邻地铁结构的受力状态发生一定程度的改变，但整体位移量较小，在正常施工条件下，该工程项目基坑开挖不会危及邻近地铁的安全运行。

 

      基坑开挖会造成邻近地铁区间隧道结构发生一定程度的水平侧向位移和竖向位移，预计地铁区间隧道结构的最大变形量可控制在 10 mm 以内，属于安全范围。在施工组织和施工方案均正常合理的情况下，修建上盖建筑物将不会造成紧邻地铁区间隧道的受力状态发生明显改变，且其结构的受力状态处于较低水平，不危及地铁区间隧道和地铁车站的结构安全。结果表明，运用 Midas GTS 数值模拟计算软件进行分析建筑物施工对邻近地铁隧道的影响，并用修正摩尔 － 库伦本构模型进行三维模拟计算，所得的结果与实测数据对比，比较符合实际，对实际工程有一定的指导意义。

 

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