基于PLAXIS 3D模型的地铁旁深基坑开挖有限元分析.pdf

第 54 卷第 23 期 2023 年 12 月Vol.54 No.23 Dec.20232891 建 筑 技 术 Architecture Technology基于 PLAXIS 3D 模型的地铁旁深基坑开挖 有限元分析宋有前，徐骏峰，王东磊，张绍泽，于广民（中建八局浙江建设有限公司，311200，杭州）摘要：以天津鲁能绿荫里项目深基坑降水及土方开挖工程为研究对象，采用岩土工程有限元分析软件PLAXIS 3D 进行模型构建，研究深基坑土方开挖对邻近既有地铁结构及隧道的影响，探究影响土体沉降量及结构变形的因素，验证施工工艺的可行性，并进行总结。研究表明，土方开挖后基坑周围会出现沉降带现象且基坑围护结构会向内凹进；采用分步开挖的施工方法对减轻基坑施工对地铁站及隧道的影响有积极作用；相邻基坑存在力的传递，此区域围护结构变形及沉降较大。关键词：PLAXIS 3D；有限元分析；深基坑变形中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：10004726(2023)23289103FINITE ELEMENT ANALYSIS OF EXCAVATION OF DEEP FOUNDATION PITS NEXT TO THE SUBWAY BASED ON PLAXIS 3D MODELSONG You-qian,XU Jun-feng,WANG Dong-lei,ZHANG Shao-ze,YU Guang-min(Zhejiang Construction Co.,Ltd.of China Construction Eighth Engineering Division,311200,Hangzhou,China)Abstract:Taking the precipitation and earthwork excavation engineering of deep foundation pit of Tianjin Luneng Lyuyinli project as the research object,the geotechnical engineering finite element analysis software PLAXIS 3D was used to construct the model,studied the impact of deep foundation pit earthwork excavation on the adjacent existing subway structure and on-the-go,explored the factors affecting soil settlement and structural deformation,verified the feasibility of the construction process,and summarized it.The results show that after excavation,there will be a settlement zone around the foundation pit and the foundation pit enclosure structure will be recessed inwards.The construction method of step-by-step excavation has a positive effect on mitigating the impact of foundation pit construction on subway stations and tunnels.There is a transfer of force in the adjacent foundation pit,and the deformation and settlement of the envelope structure in this area are large.Keywords:PLAXIS 3D;finite element analysis;deformation of deep foundation pit收稿日期：20230815作者简介：宋有前（1992），男，安徽阜阳人，工程师，e-mail:.近年来，由于中国社会经济的发展与人口激增的实际需要，大型地下空间的开发与使用逐渐增多，基坑工程的规模逐渐增大，同时地铁作为推动经济发展的重要交通设施，在全国各地规划得越来越多，这使得紧邻地铁的深基坑开挖工程逐渐成为常态。深基坑工程土方开挖及降水会使周围产生沉降和水平位移，而地铁周围环境错综复杂，隧道与周边结构相对敏感，对变形要求极高，因此制订合适的方案研究工程对周围环境的影响尤为重要。本研究以天津鲁能绿荫里项目深基坑降水及土方开挖工程为研究对象，采用 PLAXIS 3D 软件建立模型，模拟基坑工程施工过程，研究基坑工程施工对地铁隧道及相关结构的影响，总结经验以供设计参考1。1工程概况 天津鲁能绿荫里项目位于天津市南开区，北侧紧邻天津地铁 3 号线。基坑开挖边线距北侧建筑 49 m，距西侧建筑物55 m，距南侧建筑物 65 m，距东侧天塔湖边 70 m，均大于基坑开挖深度的 3 倍。本工程挖方量共计 141 万 m3，止水帷幕距地铁地下连续墙 1319 m，距地铁附属结构外墙 8 m，距地铁隧道 1015 m，内支撑设计为四周边桁架加角撑、中间对撑的形式，构件尺寸较大，第一道内支撑占地面积约 4.4 万 m2，约占第一步土方开挖面积的50%，第二道内支撑占地面积约 3.4 万 m2，约占第二步土方开挖面积的 43%。基坑围护设计平面以及基坑 11、22、33 剖面如图 1 图 4 所示。建 筑 技 术第 54 卷第 23 期2892231132图 1基坑围护设计平面示意35 0003.400地下一层5 0006 35015 750地下三层7.95012.350钻孔灌注桩 44 4001 0000.600地下二层6.850水泥土地下连续墙（TRD 或 CDM）墙高 35.0 m钻孔灌注桩 3图 211 剖面示意18.828 m地下一层地下二层地下连续墙地下三层CSM 水泥地下连续墙，厚度 800混凝土地下连续墙厚度 1 000 mm长 35.0 0.6006.95010.850图 322 剖面示意2有限元模型分析2.1PLAXIS 3D 模型概述以地铁隧道延伸走向为x轴、南北方向为y轴（与地铁隧道垂直）、垂直于地面方向为 z 轴构建有限元三维模型，考虑边界效应影响，x 轴取 560 m，y 轴取 500 m，z 轴向下取 60 m，模型包括本次工程基坑边界、二期及三期工程基坑边界、地铁隧道（为充分反映施工对隧道变形影响取 560 m）、地铁站及其附3.4001.900原地铁风亭围护桩原地铁风亭高压旋喷桩6.400凤亭8 0001 0004 35014 75020 2505 950700地下一层地下二层地下三层CSM 水泥地下连续墙，墙高 35.0 m混凝土地下连续墙厚度1 000 mm墙高 35.0 0.6006.95010.85012.3506.8501 0001 5001 0002 50015 7501 0001 0501002 9004 20012 7505002.650图 433 剖面示意属结构2。边界条件：模型顶部自由无约束，底部全方向约束，侧面竖直方向无约束，水平方向有约束。2.2模型参数使用 PLAXIS 3D 进行模型创建时采用 HS-Small模型进行计算，根据勘察报告中各土层的性质及力学参数进行归类，对性质相近的进行合并，使计算更加简便，同时基坑围护结构及地铁结构在进行沉降变形计算时考虑支撑温度应力的影响。土层名称及物理力学参数见表 13。表 1土层名称及物理学参数土层名称重度/（kN/m3）粘聚 力/kPa内摩擦角/（）泊松比压缩模量/MPa地基承载力标准值/kPa杂填土18.00100.36素填土18.55100.33.070粉质粘土1918100.33.590粉土19.19.634.30.314180粉土、粉砂2010.633.260.311210粉砂19.50280.328200采用弹性材料代替模型中的基坑围护结构，物理力学参数选取如下：压缩模为 3104 MPa，泊松比 为 0.2。2.3基坑开挖方法考虑本工程开挖深度较大，距地铁线路较近，为减少开挖过程对地铁线路的影响，采用分步开挖方法，分 3 步进行，具体如下。第一步开挖深度 5 m，采用分区段平面大开挖方法，首先进行对撑区域的土方开挖，待对撑施工完成后再进行角撑及其他区域的土方开挖，因此混凝2023 年 12 月2893宋有前，等：基于 PLAXIS 3D 模型的地铁旁深基坑开挖有限元分析土对撑、角撑的施工速度将直接影响第一步土方开挖的进度，随撑随挖，严禁悬臂区域大面积、长时间 裸露。第二步开挖深度 6.35 m，采用岛式开挖撑下侧向掏挖（分区段开挖）方法，首先进行撑下土方的开挖，然后进行中心岛土的开挖。土方开挖时前期利用自然放坡，后期利用挖掘机阶梯向上倒土。施工时考虑支撑强度影响，待支撑强度达标后再进行撑下土方开挖，充分发挥支撑作用，减小土体及结构水平方向变形量。第三步开挖深度 4.4 m，采用岛式开挖撑下侧向掏挖（分区段开挖）方法，施工时遵循“由南向北，外圈包围中心”的施工工序，分 3 层退台开挖。首先在支撑边缘挖出引导区，随后进行撑下土方掏挖，中心岛四周挖至指定标高。此时插入基础垫层施工，子栈桥施工已完成，挖出临时出土斜道，并进行中心岛的土方开挖，即降低中心岛的标高。土方开挖受第二道内支撑结构强度、南侧邻街商业底板及“基坑南侧部分”底板施工影响，撑下土方开挖需结构强度达到要求后再开挖，北侧区域须分条施工，后期挖掘机传递倒土速度以及长臂挖掘机收土相对 较慢。3模拟结果分析3.1基坑土体变形分析基坑最终开挖后呈现中间隆起四周沉降的现象，最大沉降点位于基坑西侧围护结构长边中点，沉降量为 32.99 mm，最大隆起点位于基坑东侧靠北方向，隆起量为 16.69 mm。坑外沉降带最大沉降点集中在四周围护边线中点附近，沉降量向两边逐渐减小，基坑内部出现内凹形隆起现象，分析原因是开挖土体卸载导致基坑底部隆起，而围护结构四周土体同样因基坑开挖卸载发生向坑内方向的滑移现象，使得四周出现沉降带，土体滑移又加剧了基坑内部维护四周的土体隆起现象。3.2基坑围护结构变形情况（1）一期基坑围护结构变形情况：一期基坑围护结构 x 方向变形主要位于结构西侧，最大变形值41.0 mm，y 方向变形主要位于结构北侧，最大变形值 33.38 mm，均在安全范围内。（2）二期、三期基坑围护结构变形情况：二期基坑 y 方向最大变形值32.12 mm，三期基坑 y 方向最大变形值 27.80 mm。3.3地铁车站及隧道变形情况地铁车站最大沉降值 3.97 mm，最大水平位移值 8.20 mm，车站附属结构最大水平位移值 8.56 mm，隧道管片最大沉降值 8.27 mm，最大水平位移值 9.13 mm。3.4基坑围护结构及地铁车站隧道变形分析（1）基坑围护结构变形分析。由于基坑内部土体卸荷，在外部土体的压力作用下，基坑围护结构整体呈现内凹形式变形。其中，二期、三期基坑发生整体向南变形情况，分析其原因为：二期、三期基坑位于基坑整体北侧，围护结构紧邻一期基坑，土体开挖后二期、三期基坑围护结构南侧土体卸荷，在北侧土体压力的作用下发生整体向南移动现象。同时，在压力传递的作用下，一期基坑北侧围护结构同样发生不同程度的变形。（2）地铁车站及隧道变形分析。地铁车站及隧道沉降主要集中在车站西侧区域，分析其原因为此区域紧邻基坑北侧边线中点，为基坑变形较大区域，在此区域的地铁车站及隧道受基坑开挖影响较大，其他部分距离较远，受开挖影响较小。同理，地铁车站及其附属结构、隧道管片的水平位移同样集中于此区域。4结论本研究采用 PLAXIS 3D 有限元软件分析天津鲁能绿荫里项目深基坑降水及土方开挖工程，研究深基坑开挖对邻近地铁结构的影响，得出以下结论。（1）深基坑开挖会发生坑内基坑隆起及四周围护结构内凹现象，可通过加强靠近地铁一侧的围护结构及坑内横向支撑来减少对地铁结构的影响。（2）“分步开挖、随挖随撑”的施工方法可以有效减少基坑四周土体变形，降低基坑开挖对地铁结构的影响。（3）深基坑开挖工程土体最大沉降点及围护结构变形值最大点大多集中于基坑长边中点附近位置，施工设计阶段可考虑对此位置的围护结构进行加强或采取其他有效措施以减轻对地铁结构影响，实际施工时应加强对此类区域的变形监测。（4）本工程共有 3 个不同期的基坑工程，相互紧邻区域基坑围护结构变形及土体位移沉降量较大，施工时应重点关注。参考文献1 胡爱宇,喻骁,宗兰.基坑开挖对地铁隧道影响的 PLAXIS 3D 数值分析 J.江苏建筑,2016,178(5):7887.2 于生才.基于 PLAXIS 3D 技术的深基坑开挖对既有地铁结构影响分析 J.路基工程,2018,198(3):224228.3 张学阳,李斌,吕倩.基于 PLAXIS 3D 的深基坑开挖和支护模拟分析 C/第十一届深基础工程论坛.北京:中国建筑工业出版社,2021.