上海轨道交通异形超深基坑施工过程数值模拟分析

侯玉伟

(中铁十三局集团有限公司华东工程指挥部,201601,上海∥高级工程师)

上海轨道交通异形超深基坑施工过程数值模拟分析

侯玉伟

(中铁十三局集团有限公司华东工程指挥部,201601,上海∥高级工程师)

利用FLAC3D有限差分法分析软件,针对上海轨道交通某开挖深度为27 m的异形超深基坑建模计算;计算中考虑土、围护结构、水平支撑体系共同作用,三维计算模拟分层开挖施工工况,并与平面二维计算进行比较;得出了该异形超深基坑的变形计算结果和变形控制要点。此类基坑使用二维计算软件来模拟的计算误差较大,而三维计算能充分考虑基坑的空间效应。该异形超深基坑不同于一般深基坑的变形特性,应充分考虑基坑异型带来的薄弱点,在结构平面的变化点应重点加强。

异形基坑;超深基坑;模拟计算

Author's addressEast China Engineering Depatment of the 13th Engineering Bureau Group Co.,Ltd.,China Raillways,201601,Shanghai,China

近年来,随着城市建设的发展,超深基坑的数量不断增多。以国内为例,北京国家大剧院工程基础埋深最深处为32.5 m,润扬长江大桥北锚碇基坑平均开挖深度达到48 m,上海轨道交通董家渡修复工程开挖深度达到41 m,外环隧道浦西暗埋段基坑、世博变电站等基坑开挖深度都达到了30 m以上[1]。而轨道交通工程,除了常规的长条形超深基坑,换乘段等异形超深基坑也不断涌现。

超深基坑由于开挖深度大,坑内外的水、土压力差使基坑周围土体产生较大的塑性区,将引起基坑变形的加速[2];尤其在开挖③、④层土时,其变形控制对基坑的整体变形有着重大的影响;而且,异型基坑的空间效应明显,其变形特性较常规超深基坑更为复杂。

利用FLAC3D数值模拟程序对异形超深基坑的变形特性进行了三维模拟计算,并将结果与二维模拟数值计算的结果进行了对比分析,以期为研究异形超深基坑的一般规律奠定基础。

1 模型的建立

1.1 工程概况

本有限元模型来源于上海轨道交通某盾构措施井。该盾构井非典型的长条形基坑,为异形超深基坑;地下三层单跨结构,基坑长度约为74.5 m,宽度约为9.2～18.5 m;基坑周长约为180 m,面积约1100 m2,开挖深度27 m,结构顶板覆土厚度约5 m,采用明挖顺筑法施工。围护结构采用地下连续墙,墙厚1.2 m,墙深49 m。南端采用8道支撑,北段采用9道支撑。其中第一道支撑为钢筋混凝土支撑,并结合下一层、下二层板(板厚400 mm),其余均为钢支撑。

1.2 工程地质情况

各土层物理力学指标见表1。

1.3 计算模型

该基坑属于异形基坑,取全结构进行计算分析。计算模型的尺寸是建模时必须考虑的因素。当基坑边缘到基坑边界的距离较小时,所施加的边界条件会对基坑的变形产生较大影响。而较大尺寸的模型会拖慢计算速度。

根据参考文献[3-7]的成果,并综合考虑三维计算模型的单元数量、计算速度和工程实际情况,模型短边方向上的墙后距离均采用2倍的开挖深度,模型长边方向上的墙后距离均采用3倍的开挖深度,在竖直方向上的距离采用约3倍的开挖深度。最终模型的尺寸为196 m×180 m×80 m(长×宽×高)。模型边界两侧施加水平方向的约束,底部施加竖直方向的约束。计算模型图和支撑体系布置图如图1、图2。

表1 土层物理力学指标

1.4 施工工程的模拟

有限元模拟与实际工程相同,采用顺筑法施工方案。在模型竖直方向上采取开挖一层土,施工一道撑(板)的工况。具体工况见表2。

图1 数值计算模型图

图2 支撑体系布置图

表2 计算模型开挖工况表

1.5 基本计算假定

(1)在计算中不设置土层水头,不考虑土中的水压力;

(2)不考虑渗流与基坑变形的耦合作用;

(3)假设模型中的土层为均质土层,将①1层、②1层土合并为①层土,最终土层模型剖面图如图3。

2 数值模拟计算结果及分析

数值模拟计算结果共分析了6个不同位置的断面,分别为 1-1断面、2-2断面、3-3断面、4-4断面、5-5断面、6-6断面。断面简图见图4。

2.1 二维数值模拟结果与实测数据对比

图5为采用某二维有限元模拟软件在各工况下2-2断面测斜计算结果。与实测数比较,两者虽在变形形状上基本一致,但在变形趋势存在不同:二维数值模拟围护墙体有撑部位在进一步开挖之后不再变形,而实测数据上部有撑部位存在一定向坑内发展的变形。这是因为二维数值模拟计算采用平面应变模型,适用于一般对称的长条形基坑,而本文的异形基坑两侧围护墙体受力并不均匀。因此,使用三维数值模拟较二维计算更符合实际情况。

图4 模型断面简图(单位:mm)

图5 测斜二维数值计算变形结果

2.2 三维数值模拟结果与对比

图6为基坑各个断面的变形在所有工况下的三维计算结果。从图中可知:1-1断面测斜值较二维数值模拟结果更为接近实测数据,其有撑部位并不是随着开挖的进行向坑内位移,反而发生负位移即向坑外移动。与之相应的2-2断面有撑部位却有较大的向坑内位移趋势,如:第一道撑处1-1断面的变形从15 mm降为5.6 mm,减少了9.4 mm;而2-2断面的变形从11.2 mm增加为21.2 mm,增量为10 mm。

由于基坑平面的异型,支撑长短不一,其刚度各不相同;同根支撑和围护墙交角不同,抵抗围护变形的刚度贡献也不一致,导致围护墙体的受力和变形各不相同。在每个开挖工况的初始,该基坑围护所受土压并不均衡,围护有向东位移的趋势。通过土体-围护墙-支撑体系共同作用,整个体系最终平衡。通过三维计算,能发现支撑平面布置的薄弱点,可以有效地避免工程风险。

3 结语

(1)异型基坑的围护结构受力与变形和二维平面应变问题的计算假定有本质不同,空间效应明显。对于此类基坑使用二维计算软件来模拟的计算误差较大,而三维计算能充分考虑基坑的空间效应。

(2)异型基坑的内支撑体系布置应充分考虑基坑异型带来的薄弱点,在结构平面的变化点(特别是内凹点)应重点加强。

(3)该异型超深基坑开挖深度大,对周边环境易产生较大影响;而2层楼板形成的框架体系约束作用明显,对控制围护变形提供了有利条件,可供其它异型基坑设计参考。

图6 各个断面测斜曲线图

[1]赵锡宏,杨国祥.大型超深基坑工程实践与理论[M].北京:中国建筑工业出版社,1996.

[2]Ou C Y,Chiou D C,Wu T.Three-dimensional Finite Element analysis of deep excavations[J].Journal of Geotechnical Engineering,1996,122(1):337.

[3]Charles W W NG.Numerical analysis of a multi-propped excavation in stiff clay[J].Can Geotech J,1998,135(1):115.

[4]Bose S K,Som N N.Parametric study of a braced cut by finite element method[J].Computers and Geotechnics,1998,22(2):91.

[5]唐孟雄,赵锡宏.基坑开挖挡土墙的有限元模型[J].同济大学学报:自然科学版,1998,26(5):516.

[6]陆新征,宋二祥.某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析[J].岩土工程学报,2003,25(4):488.

[7]谭永朝,唐雅茹,彭加强,等.基于数值分析的深基坑围护结构优化设计[J].城市轨道交通研究,2009(8):21.

Analog Analysis of the Numerical Value of Difform Deep-pit Engineering in Shanghai Metro

Hou Yuwei

In this paper,a software of finite differential method FLAC3D is used to simulate a difform ultra-deep foundation pit of Shanghai metro,the excavation depth is 27 m.Considering the interactions between the soil,structure and level support,a three-dimensional finite element model will simulate the layered excavation and is compared with the two-dimensional plane calculation.At last,the general deformation laws of difform ultra-deep excavation are obtained,which show that the control points of deformation and the deformation characteristics of difform ultra-deep foundation pit are different from those of the conventional pit.

difform pit;ultra-deep pit;simulated calculation

T U 473.2

2010-01-20)