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摘要：利用ABAQUS有限元分析软件，对某项目建设对邻近隧道运营安全影响进行评估分析，经过计算和现场调查，得出该项目建造不会对正在运营的隧道安全使用产生不利影响的结论。
关键词：项目建设、隧道安全运营、ABAQUS软件、有限元法
1 工程概况
拟建某项目位于舟山市普陀区沈家门荷外里坑的山脊凹部，属低山丘陵地貌，场地黄海高程一般为39.37～46.33m，目前分布为一座旧变电站，尚未完成拆迁。本项目建设内容为二层、三层办公楼各一座，平面尺寸接近40m×50m，框架结构，设计荷载为12kPa/m2.层，拟采用浅基础。场地整平高程：三层楼位置约39m，二层楼位置约45m。在拟建场地东侧山脚分布有永兴隧道，近NE走向，平面上紧靠本项目外墙线，见图1.1所示；但高差至少有27m，见剖面图2.2和图2.3所示；隧道底板标高约12.4m，顶板标高约17.4m，隧道高5.0m，宽10m，隧道壁厚约45cm，见图1.2所示，隧道混凝土等级估算时取C30。由于拟建项目距离隧道较近，应规划部门要求，需对项目建设对永兴隧道运营安全影响情况进行评估。
图1.1 拟建灾害预警中心及永兴隧道平面位置图1.2 隧道横断面图（单位：m）
图1.3 剖面2-2岩土层分布（隧道纵断面）
图1.4 剖面3-3岩土层分布（隧道横断面）
2场地工程地质条件
根据我院于2011年5月提交的该项目岩土工程勘察报告，与本工程有关的岩土层主要有：
1）Z层杂填土：杂色，松散~稍密，成分杂，主要由碎块石、建筑垃圾及少量粘性土组成，碎块石含量约占60%。
2） 1层含砾砂粉质粘土：黄褐色，硬塑为主，局部可塑，厚层状，中压缩性，含铁锰质斑点，土质不甚均一，含少量砾砂，局部砾砂含量相对较高，总体干强度中等，韧性中等，无摇震反应。
3）2-1层全风化凝灰岩：浅黄～褐黄色，岩芯风化剧烈，原岩结构破坏，完全风化呈砾砂或粘性土状。
4）2-2层强风化凝灰岩：灰黄、褐黄色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙发育，铁钙质充填，岩芯呈碎块状，锤击声响、易碎。
5）2-3层中等风化凝灰岩：青灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯呈碎块状、短柱状，锤击声脆。
拟建项目设计荷载不大，可采用浅基础，根据设计底板标高将杂填土挖除，以1层或2层组合层作为浅基础持力层。当采用不同层位作浅基础持力层时，要加大基础进入持力层的深度，采取建筑和结构措施以避免不均匀沉降对建筑物的影响。必要时可可对地基进行褥垫处理，以调节地基刚度。
对于永兴隧道，由于建成于1989年，由于没有查阅到设计图纸和工程地质勘察报告，故本次计算所涉及岩土层及相应的物理力学性能参数主要来源于本项目岩土工程勘察报告和参考类似工程的资料以及经验值，见表2.1所示。
表2.1 岩土层材料模型参数 (括号内为经验值)
名称 含水量（%） 天然重度γ(kN/m3) 孔隙比
e 粘聚力（kPa） 内摩擦角
（°） 压缩模量（MPa） 彈性模量
（×104MPa） 泊松比
(μ)
1含砾砂粉质粘土 22.3 19.0 0.716 25.1 14.2 4.71 - 0.35
2-1全风化凝灰岩 16.2 - - - 26.0 6.15 - 0.27
2-2强风化凝灰岩 - - - - - - 3.5 0.22
2-3中等风化凝灰岩 - - - - - - 8.0 0.13
C30混凝土 - - - - - - 3.0 0.20
3 数值分析建模
本次数值分析采用达索SIMULIA公司（原ABAQUS公司）开发的大型通用有限元分析软件ABAQUS 6.10.1。作为一种功能强大的有限元分析软件，ABAQUS在商业有限元软件中占有了极其重要的角色，贯穿了简单的线弹性问题到复杂的几何非线性和材料非线性问题均获得了广泛应用。其有效性不论是工程应用还是科学研究方面均得到了验证，在设计、咨询、研究领域取得了巨大的成功。ABAQUS包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变形行为。涵盖了现实世界中可能遇见的所有工程问题，具有较为完整的岩土工程分析过程和材料模型，提供了解决土力学和岩石力学、地下结构、基坑开挖、土结构相互作用等绝大多数岩土工程问题。为此本项目采用ABAQUS软件评估对永兴隧道运营安全的影响。
图1.2给出的2-2剖面靠近隧道，选取该断面进行空间拖拉建立三维几何模型，见图3.1所示。有限元模型见图2.1所示，模型尺寸为120m（长）×120m（宽）×63m（高），从计算区域向外延伸从而减小计算边界影响。单元类型包括六面体单元C3D8R（土体部分），板单元S4R（隧道部分），其中六面体实体单元为244573单元，板单元为 1467个。
模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定；模型四周约束条件为该相应面垂直约束条件，见图3.2和图3.3给出的有限元计算模型。
（a） （b）
图3.1 几何模型
图2.2 整体有限元计算模型 图2.3 永兴隧道有限元网格
4 计算结果及分析
采用kN和m单位制，计算得到的应力单位为kPa。计算模型所施加的荷载位于图2.1的中间区域，高度较低区域施工均布荷载集度为45kPa（图2.2（b）蓝色面），高度较高区域均布荷载集度为30kPa（图2.2（b）黄色面）。
图4.1和图4.2分别给出了整体及隧道在竖向荷载作用下的竖向位移分布，整体竖向位移沿深度衰减迅速，最大地面位移为1.90cm，而隧道处的竖向位移为6.186×10-3mm，隧道几乎不发生变形。
图4.3和图4.4分别给出了隧道内壁面和外壁面的最大主应力分布，在隧道中部产生一定的应力分布，这是由于上面的附加荷载向下传递，以及隧道结构的孔洞效应所致。内壁面最大主拉应力为12.49kPa，外壁面最大拉应力为5.085kPa。而C30砼抗拉强度设计值为1.43MPa，一般隧道建成时拱上部分受压，由地面附加荷载所产生的拉应力远小于混凝土的抗拉强度。
图4.1 整体竖向位移分布（放大系数为200，余同）
图4.2 隧道部分竖向位移分布
图4.3 隧道衬砌内侧最大主应力分布
图4.4 隧道衬砌外侧最大主应力分布
5 结语
根据上述计算和现场调查分析可知，在拟定场地建设本项目对正在运营的永兴隧道位移基本没有影响，隧道增加的附加应力也极为有限，因此拟建项目的建造不会对正在运营的永兴隧道安全使用产生不利影响。
但在场地基础施工时严禁大开大挖，也不能随意进出重车和增加重型设备，更加不能进行爆破作业，以免对远场隧道产生振动影响。
参考文献
[1]徐高照，陶敏. 普陀区气象灾害预警中心岩土工程勘察报告.浙江省华厦工程勘察院,2011.
[2]陶东新,王金昌,陶敏. 普陀区气象灾害预警中心项目建设对永兴隧道运营安全影响岩土工程咨询报告.浙江省华厦工程勘察院,2011.
[3]王金昌. ABAQUS在土木工程中的应用，浙江大学出版社，2006.11.
作者简介
陶东新,1973年生，男，汉，浙江省临海市，工商管理硕士，浙江省华厦工程勘察院宁波分院院长，研究方向岩土工程。通讯地址:宁波市公园路121号中山商务402室,浙江省华厦工程勘察院,联系电话13355995777
王金昌，1974年生，男，汉，黑龙江省兰西县，博士,副教授,浙江大学建工学院，研究方向岩土工程、路面工程
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：项目建设、隧道安全运营、ABAQUS软件、有限元法
1 工程概况
拟建某项目位于舟山市普陀区沈家门荷外里坑的山脊凹部，属低山丘陵地貌，场地黄海高程一般为39.37～46.33m，目前分布为一座旧变电站，尚未完成拆迁。本项目建设内容为二层、三层办公楼各一座，平面尺寸接近40m×50m，框架结构，设计荷载为12kPa/m2.层，拟采用浅基础。场地整平高程：三层楼位置约39m，二层楼位置约45m。在拟建场地东侧山脚分布有永兴隧道，近NE走向，平面上紧靠本项目外墙线，见图1.1所示；但高差至少有27m，见剖面图2.2和图2.3所示；隧道底板标高约12.4m，顶板标高约17.4m，隧道高5.0m，宽10m，隧道壁厚约45cm，见图1.2所示，隧道混凝土等级估算时取C30。由于拟建项目距离隧道较近，应规划部门要求，需对项目建设对永兴隧道运营安全影响情况进行评估。
图1.1 拟建灾害预警中心及永兴隧道平面位置图1.2 隧道横断面图（单位：m）
图1.3 剖面2-2岩土层分布（隧道纵断面）
图1.4 剖面3-3岩土层分布（隧道横断面）
2场地工程地质条件
根据我院于2011年5月提交的该项目岩土工程勘察报告，与本工程有关的岩土层主要有：
1）Z层杂填土：杂色，松散~稍密，成分杂，主要由碎块石、建筑垃圾及少量粘性土组成，碎块石含量约占60%。
2） 1层含砾砂粉质粘土：黄褐色，硬塑为主，局部可塑，厚层状，中压缩性，含铁锰质斑点，土质不甚均一，含少量砾砂，局部砾砂含量相对较高，总体干强度中等，韧性中等，无摇震反应。
3）2-1层全风化凝灰岩：浅黄～褐黄色，岩芯风化剧烈，原岩结构破坏，完全风化呈砾砂或粘性土状。
4）2-2层强风化凝灰岩：灰黄、褐黄色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙发育，铁钙质充填，岩芯呈碎块状，锤击声响、易碎。
5）2-3层中等风化凝灰岩：青灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩芯呈碎块状、短柱状，锤击声脆。
拟建项目设计荷载不大，可采用浅基础，根据设计底板标高将杂填土挖除，以1层或2层组合层作为浅基础持力层。当采用不同层位作浅基础持力层时，要加大基础进入持力层的深度，采取建筑和结构措施以避免不均匀沉降对建筑物的影响。必要时可可对地基进行褥垫处理，以调节地基刚度。
对于永兴隧道，由于建成于1989年，由于没有查阅到设计图纸和工程地质勘察报告，故本次计算所涉及岩土层及相应的物理力学性能参数主要来源于本项目岩土工程勘察报告和参考类似工程的资料以及经验值，见表2.1所示。
表2.1 岩土层材料模型参数 (括号内为经验值)
名称 含水量（%） 天然重度γ(kN/m3) 孔隙比
e 粘聚力（kPa） 内摩擦角
（°） 压缩模量（MPa） 彈性模量
（×104MPa） 泊松比
(μ)
1含砾砂粉质粘土 22.3 19.0 0.716 25.1 14.2 4.71 - 0.35
2-1全风化凝灰岩 16.2 - - - 26.0 6.15 - 0.27
2-2强风化凝灰岩 - - - - - - 3.5 0.22
2-3中等风化凝灰岩 - - - - - - 8.0 0.13
C30混凝土 - - - - - - 3.0 0.20
3 数值分析建模
本次数值分析采用达索SIMULIA公司（原ABAQUS公司）开发的大型通用有限元分析软件ABAQUS 6.10.1。作为一种功能强大的有限元分析软件，ABAQUS在商业有限元软件中占有了极其重要的角色，贯穿了简单的线弹性问题到复杂的几何非线性和材料非线性问题均获得了广泛应用。其有效性不论是工程应用还是科学研究方面均得到了验证，在设计、咨询、研究领域取得了巨大的成功。ABAQUS包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变形行为。涵盖了现实世界中可能遇见的所有工程问题，具有较为完整的岩土工程分析过程和材料模型，提供了解决土力学和岩石力学、地下结构、基坑开挖、土结构相互作用等绝大多数岩土工程问题。为此本项目采用ABAQUS软件评估对永兴隧道运营安全的影响。
图1.2给出的2-2剖面靠近隧道，选取该断面进行空间拖拉建立三维几何模型，见图3.1所示。有限元模型见图2.1所示，模型尺寸为120m（长）×120m（宽）×63m（高），从计算区域向外延伸从而减小计算边界影响。单元类型包括六面体单元C3D8R（土体部分），板单元S4R（隧道部分），其中六面体实体单元为244573单元，板单元为 1467个。
模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定；模型四周约束条件为该相应面垂直约束条件，见图3.2和图3.3给出的有限元计算模型。
（a） （b）
图3.1 几何模型
图2.2 整体有限元计算模型 图2.3 永兴隧道有限元网格
4 计算结果及分析
采用kN和m单位制，计算得到的应力单位为kPa。计算模型所施加的荷载位于图2.1的中间区域，高度较低区域施工均布荷载集度为45kPa（图2.2（b）蓝色面），高度较高区域均布荷载集度为30kPa（图2.2（b）黄色面）。
图4.1和图4.2分别给出了整体及隧道在竖向荷载作用下的竖向位移分布，整体竖向位移沿深度衰减迅速，最大地面位移为1.90cm，而隧道处的竖向位移为6.186×10-3mm，隧道几乎不发生变形。
图4.3和图4.4分别给出了隧道内壁面和外壁面的最大主应力分布，在隧道中部产生一定的应力分布，这是由于上面的附加荷载向下传递，以及隧道结构的孔洞效应所致。内壁面最大主拉应力为12.49kPa，外壁面最大拉应力为5.085kPa。而C30砼抗拉强度设计值为1.43MPa，一般隧道建成时拱上部分受压，由地面附加荷载所产生的拉应力远小于混凝土的抗拉强度。
图4.1 整体竖向位移分布（放大系数为200，余同）
图4.2 隧道部分竖向位移分布
图4.3 隧道衬砌内侧最大主应力分布
图4.4 隧道衬砌外侧最大主应力分布
5 结语
根据上述计算和现场调查分析可知，在拟定场地建设本项目对正在运营的永兴隧道位移基本没有影响，隧道增加的附加应力也极为有限，因此拟建项目的建造不会对正在运营的永兴隧道安全使用产生不利影响。
但在场地基础施工时严禁大开大挖，也不能随意进出重车和增加重型设备，更加不能进行爆破作业，以免对远场隧道产生振动影响。
参考文献
[1]徐高照，陶敏. 普陀区气象灾害预警中心岩土工程勘察报告.浙江省华厦工程勘察院,2011.
[2]陶东新,王金昌,陶敏. 普陀区气象灾害预警中心项目建设对永兴隧道运营安全影响岩土工程咨询报告.浙江省华厦工程勘察院,2011.
[3]王金昌. ABAQUS在土木工程中的应用，浙江大学出版社，2006.11.
作者简介
陶东新,1973年生，男，汉，浙江省临海市，工商管理硕士，浙江省华厦工程勘察院宁波分院院长，研究方向岩土工程。通讯地址:宁波市公园路121号中山商务402室,浙江省华厦工程勘察院,联系电话13355995777
王金昌，1974年生，男，汉，黑龙江省兰西县，博士,副教授,浙江大学建工学院，研究方向岩土工程、路面工程
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。