隧道开挖对临近建筑物影响的数值分析研究

摘要

隧道开挖施工引发土体变形，地面产生不均匀沉降，从而导致临近建筑物结构的内力发生变化，轻者影响建筑物正常使用，重者对建筑物和人生安全构成威胁，该问题已成为岩土工程领域急需解决的重要工程课题。为了掌握隧道开挖施工对临近建筑物影响的规律，本文采用三维有限元数值模拟方法开展了隧道开挖对临近建筑物影响的研究，主要研究内容包括：
　　 1.建立了考虑土与上部结构共同作用、隧道施工过程的开挖对临近建筑物影响的三维有限元分析模型，利用ABAQUS软件实现了不同结构形式和不同位置关系建筑物情况下有限元模型的求解，探讨了地面沉降和建筑物内力随隧道施工推进的变化规律。
　　 2.探讨了自由场地、有建筑物场地条件下隧道开挖对地面沉降的影响规律。计算结果表明，自由场地上的地面沉降较有建筑物场地的大，建筑物沉降近似线性分布。建筑物上部结构刚度抑制了建筑物沉降的发展，建筑物沉降随隧道施工推进逐渐达到稳定状态。有建筑物场地的地面沉降槽表现为非对称形态。
　　 3.建立了隧道及其临近框架建筑物的三维有限元模型，利用ABAQUS软件计算了建筑物与隧道三种不同位置关系下隧道开挖引起的框架结构位移和内力，探讨了隧道开挖过程中框架结构的位移变化的规律和中柱及梁跨端部弯矩分布规律。计算结果表明，建筑物越靠近隧道轴线，其竖向位移和水平位移越大，结构的弯矩变化越明显，三种情况都表现为底层结构所受影响程度最大。
　　 4.针对砖砌体建筑物与隧道轴线平行、正交、重叠以及成45°斜交等四种位置关系，建立了隧道及其临近砖砌体建筑物的三维有限元模型，利用ABAQUS软件研究了隧道开挖对窗台角部的应力分布规律，得出应力峰值首先出现在窗台角点处和建筑物与隧道轴线成45°斜交时应力峰值最大等结论。