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钻探对既有地铁隧道影响的有限元分析

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：王浩刘欢包友

[导读] 摘要：为了考查钻探对已修建地铁隧道周围土体的影响，进而对隧道产生影响，采用有限元数值模拟方法对广州地铁14号线隧道进行了仿真分析。

        成都华丰工程勘察设计有限公司
        摘要：为了考查钻探对已修建地铁隧道周围土体的影响，进而对隧道产生影响，采用有限元数值模拟方法对广州地铁14号线隧道进行了仿真分析。通过规范变形要求，采用FLAC3D 6.0反演出合理的地铁隧道土体模型，在隧道外侧1.5米处模拟钻机钻探，计算了隧道在钻进情况下的隧道周围土体的变形，并进行了分析。分析结果表明：隧道周围土体变形受钻探影响较小、对隧道影响有限。
        新建广州从化至黄埔高速公路，是广州交通路网的重要组成部分。新建高速公路横跨广州地铁14号线隧道，2020年10月，由于高速公路勘察，需要在地铁附近展看钻探作业。
        钻探对土体产生扰动，改变了土体原有的应力环境，土体发生变形，进而对地铁隧道产生影响。地铁对变形的要求非常严格，因此有必要研究钻探对既有地铁隧道的影响。得到的研究成果将为钻探提供科学依据和理论支持，对今后钻探施工做出指导。
        在此之前，研究此类问题选择FLAC都是采用的3.0版本[5]，此版本已经老旧，具有一定局限性。
        1 建立模型
        根据实际工程，选择钻探附近的工点建立模型，因此选择了新建高速与地铁交叉位置，广州地铁14号线中新知识城支线，桩号为YDK44+599.5、ZDK44+614.2。隧道直径6米，顶面距离地面10米，钻孔距离隧道外边缘1.5米。采用最新FLAC6.0版本建立模型[6]。

图1 模型剖面图

图2 隧道和钻孔想对位置示意图

图3隧道未修建时最大主应力云图

        图4隧道修建完成时最大主应力云图
        2 钻探对周围土体的影响
        模拟没有隧道影响的钻探过程，以钻进2米为一个回尺，累计钻进26m，计算最大位移云图。

        图5钻探完成后最大位移云图
        根据数值模拟，随着钻孔深度的加深，钻孔周围土体的变形是持续增大的。且钻孔最大位移量仅为0.5毫米。
        3 钻探对隧道周围土体的影响
        模拟有隧道影响的钻探过程，以钻进2米为一个回尺，累计钻进26m，计算最大位移云图。

        图6钻探完成后最大位移云图
        根据数值模拟，随着钻孔深度的加深，钻孔周围土体的变形，受隧道影响，在隧道标高处，变形局部有所增大，但随深度的加深，整体趋势依然是持续增大的。且钻孔最大位移量仅为0.44毫米。在隧道标高处，钻孔0.1毫米以上变形的影响半径为0.5米。
        4 结论
        1）没有隧道时，随着钻孔深度的加深，钻孔周围土体的变形是持续增大的。
        2）随着钻孔深度的加深，钻孔周围土体的变形，受隧道影响，在隧道标高处，变形局部有所增大，但随着深度的增加，整体趋势依然是持续增大的。
        3）在隧道标高处，0.1毫米以上变形的影响半径为0.5米。
        综上所述，在不考虑地下水及渗流的情况下，钻探对既有地铁隧道的影响是有限的。
        参考文献：
        [1] 刘佑蓉，唐辉明.岩体力学.中国地质大学出版社.1999.
        [2] 陈仲颐.土力学.清华大学出版社.2013.
        [3] 鲁志杰钻孔桩施工对已建隧道影响的有限元分析[J].山西建筑，2016.
        [4] 陶振宇.岩体初始应力对地下工程的影响[J].武汉水利电力学院学报，1980，03：59-64.
        [5] 陈育民，徐鼎平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例.第二版.中国水利水电出版社.2014.
        [6] 彭文斌.FLAC 3D使用教程.第2版.机械工业出版社.2020.