地铁车站深基坑施工有限元分析.pdf

2052023年9 月岩土工程与勘察江西建材地铁车站深基坑施工有限元分析邹雪中国铁路设计集团有限公司华南公司，广东深圳518052摘要：地铁车站深基坑施工涉及复杂土体一结构相互作用问题，例如土体变形、应力分布、支撑结构稳定性等。文中以南方地区某地铁车站项目为依托，应用有限元软件，围绕围护结构水平位移、地表沉降、坑底隆起变形、降水对基坑变形的影响等展开研究。结果表明，开挖1工序下，围护结构水平位移与开挖深度成反比，地连墙顶部水平位移最大为3.1m，底部水平位移最小。开挖2、3、4工序下，围护结构水平位移随深度的增加先增后减，在地连墙腹部处达到最大。地表沉降曲线呈V形，距基坑边缘约15m左右处地表沉降量达到最大。关键词：地铁车站；深基坑；有限元；变形中图分类号：TU198文献标识码：A文章编号：10 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 9-0 2 0 5-0 3Finite Element Analysis of Deep FoundationPit Construction of Subway StationZou XueChina Railway Design Group South China Company,Shenzhen,Guangdong 518052Abstract:The construction of deep foundation pits in subway stations involves complex soil structure interaction issues,such as soildeformation,stress distribution,and support structure stability.Based on a subway station project in the southern region,this article appliesfinite element software to study the effects of horizontal displacement of the retaining structure,surface settlement,uplift deformation ofthe pit bottom,and precipitation on the deformation of the foundation pit.The results show that under excavation process 1,the horizontaldisplacement of the retaining structure is inversely proportional to the excavation depth,with the maximum horizontal displacement of 3.1 mat the top of the diaphragm wall and the minimum horizontal displacement at the bottom.Under excavation steps 2,3,and 4,the horizontaldisplacement of the retaining structure first increases and then decreases with the increase of depth,reaching its maximum at the belly of thediaphragm wal.The surface settlement curve is V-shaped,and the maximum surface settlement is reached at a distance of about 15 metersfrom the edge of the foundation pit.Key words:Subway station;Deep foundation pit;Finite element;Deformation0引言地铁车站建设涉及复杂的地下工程，其中，深基坑施工是一个具有挑战性的环节。深基坑施工过程中，围护结构稳定性、土体变形、地表沉降等问题对工程安全和周围环境影响至关重要 1-2 1。围护结构水平位移是衡量基坑稳定和支撑效果的重要指标，应用有限元软件模拟土体开挖的应力变化、支撑结构刚度和材料特性，能够准确预测围护结构水平位移，评估其对土体和周边建筑物的潜在风险 3-4。地铁车站深基坑施工不可避免受到地表沉降影响，考虑土体结构本构、施工序列和地表荷载等因素，能够定量预测地表沉降 5。由于土体开挖和支撑约束，地铁车站基坑坑底可能发生隆起现象，模拟土体变形特性、支撑结构变化和施工序列能够定量分析坑底隆起程度，为减轻隆起效应提出相应措施。此外，模拟基坑降水和排水效果，能够评估降水对土体应力和变形的影响，并为优化降水方案提供建议 7 。基于此，本文以南方地区某地铁车站为研究对象，结合数作者简介：邹雪（19 9 1-），女，吉林吉林人，硕士，工程师，主要研究方向为地下工程设计与研究。值模拟探究地铁车站深基坑稳定性及其影响因素，为地铁车站建设和深基坑工程施工提供有价值的参考，同时促进有限元分析在复杂地下工程中的应用与发展。1工程概况南方地区某地铁车站沿路地势西高东低，高差最大约17 m。本车站揭露地层主要有第四系全新统人工填土层、第四系全新统冲洪积层、第四系坡积层、第四系残积层，基岩为石英砂岩。本车站大小里程高差较大，基坑开挖深度为18.7 33.7 m，围护结构推荐采用10 0 0、12 0 0 mm地下连续墙。2数值模拟模型及参数设定本文选用修正的MIDAS土体本构模型模拟土体，选用梁单元模拟冠梁，板单元模拟地下连续墙。其中，第一道钢支撑为600mm、壁厚12 mm的钢管，设计轴力和预加轴力分别为270、135k N；二、三道钢支撑为600mm、壁厚16 mm的钢管，二道钢管支撑的设计轴力和预加轴力分别10 0 0、50 0 kN，三道钢管支撑的设计轴力和预加轴力分别8 50、42 5kN；围由两根45b工字钢连接而成；地下连续墙钻孔灌注桩桩长2 4m，由C35混凝土灌注而成。冠梁和桩的弹性模量为30 0 0 0 MPa，泊松比为0.2，重度为2 4.8 kN/m；围和钢支撑的弹性模量为206：岩土工程与勘察2023年9 月江西建材210000MPa，泊松比为0.3，重度为7 8 kN/m。图1显示了基坑、地下连续墙、冠梁及第一道钢支撑的模型图，考虑边界效应的影响，基坑尺寸为32 5m200m60m，基坑上表面施加荷载为2 0 kN/m的均布力，该三维模型由8 6 159 个单元和48 7 12 6个节点组成。（a）三维模型图（b）地下连续墙（c）冠梁及第一道钢支撑图1模型图依据现场地勘报告，三维模型土体参数见表1。表1模型参数类别黏聚力/kPa泊松比摩擦角/重度/(kNm3)素土150.331515.5黄土230.322318.4古土壤230.272318.4砂土320.263219黏土200.282020基坑建模分析时，本文采用的基本假设主要包括以下几个方面。（1）地表水平和土层分界面水平：假设基坑所在地表是水平的，忽略了地表的起伏不平。同时，假设土层分界面为水平面，忽略了土层分布的差异性。相关假设简化了模型的几何形状和土层变化的复杂性。（2）土体各向同性：假设土体具有各向同性特性，即土体的物理性质和力学响应在各个方向上是均匀且相等的。该假设简化了土体力学行为，并使分析更加方便。（3）弹性材料：假设围护结构、内支撑和围结构都是弹性材料，其应力-应变关系遵循线性弹性理论。该假设简化了材料的力学性质，并省略了可能存在的非弹性行为。（4）均布面荷载：假设基坑表面受到的荷载可以近似为均布面荷载分布。该假设简化了对荷载分布的处理，可提高计算效率。3结果与分析模型共有四种开挖深度，开挖1的深度为2.2 m，开挖2的深度为8.35m，开挖3的深度为14.44m，开挖4的深度为18.58 m。3.1围护结构水平位移图2 显示了不同工序下围护结构水平位移变化规律。在开挖1工序下，围护结构水平位移与开挖深度成反比，地连墙顶部水平位移最大为3.1m，底部水平位移最小。开挖2、3、4工序下，围护结构水平位移随深度的增加先增后减，地连墙腹部处水平位移达到最大。开挖1工序开挖深度较浅，土压力差较小，支撑结构的限制作用有限。因此，围护结构呈现悬臂梁状，水平位移主要受土压力差的影响，在一定深度范围内逐渐线性增大，并在顶端达到最大值。开挖2、3、4工序：随着开挖深度的增加，围护结构两侧土压力差逐渐增大，并通过支撑结构得到部分限制。因此，围护结构的水平位移呈现抛物线形状。第二道和第三道支撑处，由于支撑阻抗作用较强，围护结构位移较小。然而，在远离支撑位置的区域，位移逐渐增大，且在一定深度达到最大值。-30一开挖1一开挖2一开挖3-25一开挖4-20-15-10500234567围护结构水平向位移/mm图2围护结构水平位移3.2地表沉降图3显示了不同开挖工序下地表沉降变化规律。地表沉降曲线呈V形，在距基坑边缘约15m左右，地表沉降量达到最大。这种现象可以解释为基坑开挖引起的地表沉降扩散效应。开挖基坑会引起土体变形，这种变形会逐渐向周围土层传播。靠近基坑纵向边缘的地表受到最直接影响，因此该位置地表沉降快速增加并达到最大。距离基坑纵向边缘越远，土体的变形扩散作用越弱。土体的刚度和阻力能够阻碍变形的传递，导致地表沉降逐渐变小并趋于平稳。在距离基坑较远的位置，变形传递的影响相对较小，因此地表沉降减小的速率较慢。周围土体在一定程度上提供了对地表的支撑作用。距离基坑较远位置，周围土体对地表的支撑作用较强，减小了地表沉降的程度。6一开挖1一开挖2一开挖3一开挖4011051015202530354045505560657075距基坑纵向边缘距离/m图3地表沉降变化规律3.3坑底隆起变形图4显示了坑底隆起变形规律，所有工序的变化规律均一致，坑底隆起变形曲线呈开口向下的抛物线，在基坑中心的位置，隆起量达到最大。当基坑开始开挖，土体受到剥离和挖掘影响，应力分布发生变化。在坑底两边缘区域，土体受到较大约束2072023年9 月岩土工程与勘察江西建材和支撑，集中在边缘上的应力相对较小，导致局部隆起量较小。然而，在坑底中部区域，土体受到较少约束，应力分布更为均匀，因此出现了较大的隆起量。此外，随着基坑的不断开挖，土体在边缘区域受到剥离和破坏，中部区域土体受到较大挤压作用。土体的挤压效应导致坑底中部出现更大的隆起变形量。最后，土体的变形过程受到力的平衡条件影响。在坑底边缘区域，土体受力情况相对较复杂，包括挤压力、约束力和支撑力等。这些力的平衡关系导致了边缘区域隆起变形量较小。坑底中部区域由于挤压效应和减少的约束力，土体受到较大的挤压力，导致更大的隆起变形量。27开挖124开挖2开挖321一开挖4/1815129630-14-12-10-8-6-4-202468101214距基坑中心的距离/m图4坑底降起变形规律3.4降水对基坑变形的影响图5显示了降水对基坑地表沉降和围护结构水平变形的影响，无论基坑地表沉降量还是围护结构水平变形量，降雨后均出现了一定程度的增长，但降雨前后基坑地表沉降量、围护结构水平变形量的变化规律是一致的。降雨会增加土体的水分含量，导致土体饱和度增加。当土体饱和度提高时，土体内部颗粒间接触力减小，土体力学性质发生变化，容易发生沉降和变形，基坑地表沉降量和围护结构水平变形量在一定范围内增长。此外，降雨能够引起土体重排和重新排水。基坑周围土体中，由于降雨作用，土体颗粒之间的排列可能发生重新调整，导致沉降和变形。此重排过程可能需要一定的时间达到平衡状态，因此降雨后出现一定长度的最大值。降雨前和降雨后的土体特性、力学行为基本相同，因此基坑地表沉降量和围护结构水平变形量变化趋势保持一致。-6-5一未降雨降雨_4-3-2-10一105101520253035 404550 5560657075距基坑纵向边缘距离/m-27-24一未降雨-21一降雨/-18-15-12-9-6-30101234567围护结构水平向位移/mm图5降水对基坑变形的影响4结语本文以南方地区某地铁车站项目为研究对象，应用数值模拟研究了地铁车站深基坑施工过程中的位移和变形，主要得出以下结论：（1）基坑开挖引起的地表沉降扩散效应导致地表沉降曲线呈V形，距基坑边缘约15m左右的地表沉降量达到最大。（2）坑底边缘区域土体受力相对复杂，力的平衡关系导致了边缘区域的隆起变形量较小。而在坑底中部区域，由于挤压效应和约束力减弱，土体受到较大的挤压力，导致更大的隆起变形量。（3）降雨只是基坑位移变化的加速因素，降雨前、后的土体特性和力学行为基本相同。参考文献1汪大龙.基坑开挖对周围环境影响的有限元分析J.工程勘察，2010(S1):427-433.2胡冬.深基坑开挖对周围地下管线变形影响的有限元分析【D：南京：南京航空航天大学，2 0 0 8.3王琳，罗志华，张晗.地铁车站深基坑开挖对临近建筑物影响的三维有限元分析J】.建筑结构，2 0 2 1，51（S1）：19 2 8-19 344王江荣，梁永平，赵振学，基于有限元分析的地铁车站明挖深基坑边坡稳定性分析J】.工程质量，2 0 19，37（1）：54-58，6 4.5许斌.杭州软土地区地铁车站深基坑开挖引起的变形效应分析研究D】.杭州：浙江工业大学，2 0 16.6赵延.地铁车站深基坑开挖对临近建筑物影响的监测及数值模拟研究D.石家庄：石家庄铁道大学，2 0 14.7谢弘帅.深基坑开挖对临近地铁车站基坑影响的有限元计算分析J.上海地质，2 0 0 9（2）：54-58.