摘 要

随着我国城市化步伐的加快,开发利用地下空间已成为城市化进程中的必然趋势。隧道作为地下空间开发的重要一环，是解决城市交通问题的重要手段，因此隧道施工过程对邻近建筑物的影响成了迫切需要研究的问题。本文应用PLAXIS2D有限元软件对隧道不同尺寸、不同埋深、不同相对距离、不同衬砌EI下的建筑物建立数值模型，通过分析计算得出建筑物受隧道开挖影响的变化规律及内力变化情况。主要工作和结论如下：

(1)根据国内外学者的研究现状，概述隧道施工对邻近建筑物影响的基本理论，并进行总结分析。

(2)使用PLAXIS2D有限元软件建立数值模型，分析开挖过程中隧道收缩后建筑物基础的位移和内力变化，得出基础沉降增加，轴力变大，弯矩减小，对沉降产生的影响最大。

(3)以标准模型为参照，进行一系列参数变化分析，结果显示：隧道尺寸、埋深、间距、衬砌刚度等参数发生改变时，对基础沉降基础轴力和基础弯矩都有一定的影响。改变参数后，对基础影响最大的是沉降变化，对弯矩影响较小。增加隧道半径，降低埋深，降低衬砌刚度都会使基础沉降变大，轴力变大，这不利于隧道施工的正常工作，因此要对这些参数进行控制，来预防隧道施工过程可能发生的意外事故。

关键词：隧道；建筑物；有限元分析；数值模拟

Impact analysis of tunnel underpass construction on adjacent buildings

ABSTRACT

With the acceleration of urbanization in our country, the development and utilization of underground space has become an inevitable trend in the process of urbanization. As an important part of the development of underground space, tunnel is an important means to solve the problem of urban traffic. Therefore, the influence of tunnel construction on the building has become an urgent problem to be studied. In this paper, the PLAXIS2D finite element software is used to establish the numerical model of the buildings under different sizes, different buried depth, different relative distance and different lining EI. Through the analysis and calculation, the change law of the influence of the tunnel under the tunnel excavation and the change of internal force are obtained. The main work and conclusions are as follows:

(1) According to the research status of scholars at home and abroad, the basic theory of tunnel construction on adjacent buildings is summarized and analyzed.

(2) Using the PLAXIS2D finite element software to establish the numerical model, analyze the displacement and internal force changes of the building foundation after the tunnel contraction in the process of excavation, and conclude that the foundation settlement increases, the axial force becomes larger, the bending moment decreases, and the biggest change to the settlement.

(3) A series of parameters change analysis is carried out with the standard model as reference. The results show that the parameters of the tunnel with different sizes, different buried depths, different relative distances and different lining EI have a certain influence on the basic axial force and the basic bending moment of the foundation. The change of parameters is the most important factor affecting the foundation settlement, and the bending moment is less affected. To increase the radius of the tunnel and reduce the depth of the buried lining, the reduction of the lining EI will make the foundation settlement larger and the axial force larger, which is not conducive to the normal work of the tunnel construction. Therefore, these parameters should be controlled to prevent the possible accidents in the tunnel construction project.

Key words: tunnel; building; finite element analysis; numerical simulation

目 录

1 绪论 7

1.1 研究背景 7

1.2 研究现状及发展趋势 7

1.2.1 基坑施工对隧道影响研究现状 7

1.2.2 盾构隧道对邻近建筑物影响研究现状 9

1.2.3 暗挖隧道对邻近建筑物影响研究现状 11

1.2.4 其他相关文献 14

1.3 本文研究意义 15

1.3.1 研究内容及目前研究存在不足 15

1.3.2 对本文开展的意义 16

2 二维有限元计算软件简介 17

2.1 二维有限元软件程序介绍 17

2.2 二维有限元软件基本功能及操作步骤 17

2.3 模型的选用 18

2.4 结构单元的模拟 18

2.4.1 板单元的模拟 18

2.4.2 内支撑的模拟 18

3 隧道下穿施工对邻近建筑物影响数值模拟 19

3.1 模型的建立 19

3.2 参数的选择 19

3.3 模型施工和结果 20

3.3 1 模拟施工步骤 20

3.3.2 输出结果 21

3.4 土体变形分析 21

3.4.1 土体水平位移分析 21

3.4.2 土体竖向位移分析 23

3.5 基础竖向位移影响分析 25

3.6 基础受力分析 27

3.7 本章小结 29

4 隧道施工对邻近建筑物不同参数下的影响 30

4.1 参数选取与变化 30

4.2 不同隧道尺寸的大小对建筑物基础的影响分析 30

4.2.1 位移影响 30

4.2.2 轴力影响 32

4.2.3 弯矩影响 34

4.3 不同隧道埋深对建筑物基础的影响分析 36

4.3.1 位移影响 36

4.3.2 轴力影响 38

4.3.3 弯矩影响 41

4.4 不同隧道间距对建筑物基础的影响分析 43

4.4.1 位移影响 43

4.4.2 轴力影响 45

4.4.3 弯矩影响 47

4.5 不同衬砌EI对建筑物基础的影响 49

4.5.1 位移影响 49

4.5.3 弯矩影响 53

4.6 本章小结 55

5 结论与展望 56

5.1 主要结论 56

5.2 展望与建议 56

致 谢 58

参考文献 59

1 绪论

1.1 研究背景

人类社会的高速发展，在我们生活的城市中，一系列资源和环境问题也接踵而至，人口的快速发展带来生存环境危机；土地资源紧缺；城市环境破坏等问题日益加剧。面对这些生存危机，中国的城市必须走出一条可持续发展道路。就城市而言地下空间开发比地面空间有着更显著的可持续优越性。所以，地下空间的开发利用将为城市的未来发展带来新的机遇和挑战^[1]。南京举办的第六届青年学术论坛土木建筑分会场上，中国工程学院院士钱七虎指出，充分利用地下空间已经逐渐成为国际节能的新趋势。地下空间是指属于地表以下，主要针对建筑方面来说的名词，比如地下商场，地下停车场，地铁，矿井，隧道等建筑空间。因此地下空间的发展利用，已经成为城市建设发展的主要趋势。

隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道是修建在地下或水下或者在山体中，铺设铁路或修筑公路供机动车辆通行的建筑物。隧道施工是新奥地利隧道施工方法的简称，它是奥地利学者在长期从事隧道施工实践中从岩石力学的观点出发而提出的一种合理的施工方法，是采用喷锚技术、监控量测等并与岩石力学理论构成的一个体系而形成的一种新的工程施工方法。城市地下隧道施工方法主要有:盾构法和浅埋暗挖法等。地表建筑物的沉降在隧道开挖过程中受很多因素的影响，除隧道施工工艺、施工进度和隧道结构外，还与隧道埋深、周围建筑物的间距以及土体性质等有很大关系^[2]。目前国内外的许多学者主要采用数值模拟和理论分析等方法进行研究来处理这类研究分析。

本文在总结前人研究的基础上，通过基坑对隧道的影响，盾构隧道、暗挖隧道对邻近建筑物的影响研究进行总结分析，结合PLAXIS软件，建立模型，考虑参数敏感性，对隧道下穿施工对邻近建筑物的影响进行分析。

1.2 研究现状及发展趋势

1.2.1 基坑施工对隧道影响研究现状

胡文亮^[3]采用有限元软件MIDAS/GTS建立三维模型计算分析深基坑施工对邻近连拱隧道的影响。通过有限元模拟深基坑开挖施工过程,从连拱隧道结构的位移、应力、应变方面分析基坑施工对连拱隧道的影响特性,最后得出4个结论：(1)坑侧壁有效的支撑可以减小对邻近地下结构的影响；(2)增加基坑开挖深度,隧道结构对基坑影响也会增大；(3)基坑开挖增大连拱隧道围岩主拉应变区域,减小主压应变区域,降低围岩稳定性，影响连拱隧道结构受力；(4)基坑开挖会改变隧道围岩的应力应变场。