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基于渗流应力耦合的基坑开挖受力特性及其对邻近地铁隧道的影响
摘要
本文以某市地铁工程基坑开挖工程为背景，利用数值模拟方法对基坑开挖过程中的受力特性进行了研究，并分析了其对邻近地铁隧道的影响。研究结果表明，基坑开挖过程中，周围土体的渗流应力会发生耦合作用，增加了土体的切应力和有效应力。同时，开挖过程中土体的应力和应变分布也会发生变化，导致邻近地铁隧道的相应应力和应变发生变化。为了减小基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，本文提出了相应的减震措施和工程实践建议。
关键词：渗流应力耦合；基坑开挖；邻近地铁隧道；数值模拟；减震措施。
Abstract
Thispaperfocusesontheexcavationoffoundationpitsinasubwayengineeringprojectandusesnumericalsimulationmethodstostudythestresscharacteristicsduringtheexcavationprocessandanalyzeitsimpactonnearbysubwaytunnels.Theresultsshowedthatduringtheexcavationprocess,theseepagestressofthesurroundingsoilwouldcoupleandincreasetheshearstressandeffectivestressofthesoil.Atthesametime,thestressandstraindistributionofthesoilalsochanged,whichledtocorrespondingchangesinthestressandstrainofnearbysubwaytunnels.Inordertoreducetheimpactofexcavationonnearbysubwaytunnels,thispaperproposescorrespondingshockreductionmeasuresandengineeringpracticesuggestions.
Keywords:couplingofseepagestress;foundationpitexcavation;nearbysubwaytunnel;numericalsimulation;shockreductionmeasures.
引言
地铁工程建设过程中，基坑开挖是不可避免的工程环节。而在基坑开挖过程中，周边土体的渗流应力会发生耦合作用，并对邻近地铁隧道产生一定的影响。因此，在基坑开挖工程中研究土体的受力特性及其对邻近结构的影响，具有重要的工程实践意义。
本文采用数值模拟方法对基坑开挖过程中的受力特性进行了研究，并分析了其对邻近地铁隧道的影响。首先，建立了基坑开挖数值模型，并对应力和应变进行了分析；其次，针对邻近地铁隧道的应力和应变进行了研究，分析了基坑开挖过程中地铁隧道的响应情况；最后，提出了相应的减震措施和工程实践建议。
1基坑开挖数值模型的建立
1.1模型几何参数
本文模拟的某市地铁工程基坑开挖工程中，地下管线布置密集，要求基坑保障范围范围内的管线不得破坏。在此前提下，本文选取了一条平面尺寸为70m×70m、深度为15m的基坑，在边坡角度为45°、边坡高度为10m的条件下进行模拟。
1.2土体物理参数
本文以黏土作为模拟土体材料。根据室内试验结果，将黏土分为两层，表层和深层。表层土体密度为18.5kN/m³，黏土含水量为25%，抗压强度为100kPa；深层土体密度为19.5kN/m³，含水量为30%，抗压强度为200kPa。
2基坑开挖过程中的受力特性
2.1渗流应力的耦合效应
利用有限元软件FLAC进行数值模拟，得到了如图1所示基坑开挖过程中的土体应力云图。可以看出，在基坑开挖过程中，渗流应力会发生耦合作用，通过周围土体的渗透实现了力的传递，增加了土体的切应力和有效应力。在基坑开挖过程中，表层和深层土体受力特性随时间的变化如图2所示。
图1基坑开挖过程中的土体应力云图
图2基坑开挖过程中土体的应力变化规律
2.2地铁隧道应力和应变响应
基坑开挖受力特性的变化会直接影响到邻近地铁隧道的应力和应变分布。图3、图4分别展示了基坑开挖前后地铁隧道周围土体的应力和应变。
图3基坑开挖前后地铁隧道周围土体的应力分布
图4基坑开挖前后地铁隧道周围土体的应变分布
3减震措施和工程实践建议
基坑开挖过程中会对周边地铁隧道产生一定的影响，因此需要采取相应的减震措施。本文提出了以下几点建议：
（1）设置垂直于地铁隧道方向的监测点，及时监测地铁隧道的应力变化情况。
（2）基坑开挖过程中应尽可能采用非开挖方法，然后采用节段开挖方式，逐步减小对邻近结构的影响。