基坑周边超载作用位置对基坑支护结构变形的模拟分析

胡琳

（无锡地铁集团，江苏 无锡 214023）

基坑周边超载作用位置对基坑支护结构变形的模拟分析

胡琳

（无锡地铁集团，江苏 无锡 214023）

以地铁车站某深基坑工程为背景，利用FLAC3D有限差分软件，建立合适的模型对基坑采用超载距基坑长边和短边远近不同的三种工况进行分层分步开挖，根据FALC3D软件计算的结果分别对三种不同工况在各层开挖过程中的地下连续墙的变形进行对比分析，总结出超载距基坑长边和短边远近对支护结构安全的影响规律。

超载位置；FLAC3D模拟；地下连续墙变形；支护结构安全。

0　引言

地铁车站一般位于城市的繁华区域，周边密集建筑物、构筑物，车流、人流密度大，同时丰富的地下管线错综布置。地铁车站深基坑在开挖作业时受此影响因素，施工作业空间狭小，基坑周边大部分贴近建设用地红线。由基坑周边建筑物、交通道路的车辆、施工机械荷载、运输材料车辆和建筑材料堆放等原因产生的基坑周边超载不可避免的对基坑支护结构安全产生影响，这些超载作用位置的不同，会对基坑支护结构变形带来不同的影响。

本文利用FLAC3D有限差分软件，通过建立模型对距基坑周边不同位置的三种超载工况进行分层分步开挖进行模拟，根据FALC3D软件模拟的计算结果分别对三种不同工况在各层开挖过程中的地下连续墙的变形进行对比分析，总结出超载作用在基坑不同位置对基坑支护结构安全的影响规律。

1　工程概况

地铁车站为三层三跨框架结构，车站主体外包总长约为201.60 m，标准段净宽度约为19.7 m。车站顶板覆土约3.0 m，站台中心处底板埋深约23.32 m。车站两端各设一端头井，东端头井内净平面尺寸为14.1 m×23.8 m，开挖深度26～29.1 m，基坑采用明挖顺做法施工，维护结构为地下连续墙，地下连续墙厚度h=1 000 mm，深度39 m。标准段基坑深度为26 m，沿基坑深度设置四道支撑，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，尺寸为1 200 mm× 1 000 mm，其余均采用609钢管支撑；基坑采用端头井开挖深度约29.1 m，沿基坑深度设置四道支撑，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，尺寸为1 200 mm×1 000 mm，其余均采用609钢管支撑。基坑支护结构体系剖面见图1。

图1　基坑支护结构体系剖面图

2　超载工况距离基坑长边和短边各工况的对比关系

这三个工况分别是，工况一是荷载距离基坑长边和短边的距离分别是5 m、5 m；工况二是荷载距离基坑长边和短边的距离分别是5 m、10 m；工况三是荷载距离基坑长边和短边的距离为10 m、5 m；三个工况施加荷载大小为20 kPa、荷载宽度为10 m。三个工况的对比关系，见表1。

表1　基坑周边超载工况

3　对不同超载距基坑长边和短边远近不同工况的FLAC模拟

3.1计算模型

根据对称性原理，选取实际工程尺寸的?。根据该基坑的地质勘测报告，土层划分为6个土层。基坑开挖会对基坑周边一定范围内的环境产生影响，所以模型的大小必须足够大到可以覆盖到基坑开挖可能影响到的区域，同时大小又要兼顾计算的效率。根据现行的国家规范，参考现有的研究成果，影响范围为2～3倍的基坑开挖深度，深度约为基坑开挖深度的3倍。因此整个模型的尺寸确定为165 mm×113 mm×72 mm（长×宽×高）。为了减少不必要的网格，提高计算效率，对连续墙及周围土体的网格划分较密,而模型的地下连续墙及基坑远处土体的网格划分稀疏,模型中的6个颜色代表了模型中的6种土层。基坑模型及网格分组见图2。

图2　施工方案计算模型

3.2本构模型

在模拟基坑开挖的施工中，土体材料选用摩尔-库仑模型计算；地下水通过基坑周边集水井降水，在模拟过程中不考虑地下水对新建车站结构的影响作用.施工模拟计算时地层和材料的应力应变变化假设均在弹塑性范围内[1].

3.3计算力学参数

根据工程现场提供的岩土工程勘察报告中土体的物理力学性质,将部分性质相近的土体合并,划分为6层土体.利用勘测报告中的弹性模量和泊松比对地勘资料整理与转换的土体参数（见表2）,钢筋混凝土及钢材材料计算参数见表3。

表3　钢筋混凝土及钢材材料参数表

3.4FLAC3D模拟距离基坑长边和短边远近对地下连续墙水平位移计算结果分析

通过对工况一、工况二和工况三数值模拟，对地下连续墙水平位移的计算结果分析对比：这两个工况分别是，工况二是荷载距离基坑的长边和短边分别是5 m、10 m；工况三是荷载距离基坑长边和短边的距离为10 m、5 m；三个工况施加荷载都为20 kPa。三个工况下的地下连续墙水平位移计算结果和正常开挖工况的计算结果见表4，为了更直观的反映超载距基坑远近对地下连续墙水平变形的影响，绘制地下连续墙水平位移曲线见图3。

表4　地下连续墙水平位移的计算结果（单位：mm）

表2　土体参数

图3　地下连续墙的水平位移的对比曲线

通过表4的计算结果分析，超载距离基坑长边和短边的距离的远近的工况二、工况三开挖下的地下连续墙的水平位移的最大值为-65.28 mm、-64.97 mm比工况一开挖工况下的地下连续墙的水平位移的最大值-61.91 mm的增幅约为5.44%、4.94%。通过数据对比和地下连续墙水平位移对比曲线可以得出结论：当超载离基坑长边近的工况要比超载离基坑短边近的工况使地下连续墙水平位移增加的多。工地内的施工行车路线放在基坑短边，堆放荷载放在基坑短边，这样对基坑支护体系的安全影响能降低一些。

4　结论与讨论

（1）通过上述工况一、工况二和工况三的模拟结果对比，可知超载离基坑长边近的工况要比超载离基坑短边近的工况使地下连续墙水平位移增加的多，在设计支护结构时考虑基坑周边超载的位置；以及在布置施工场地时，施工机械荷载、运输材料车辆路线、建筑材料堆放位置尽量避免超载出现基坑长边，这样能降低基坑周边超载对基坑支护体系的安全影响。

（2）如何更好地借助仿真软件对单元属性的定义，更好的模拟地层的开挖与支护，减小模拟与实际监测间的差距，提供更为精准的有利于安全施工的沉降预测，仍有待于进一步的开发与研究。

[1]高立新.地铁车站深基坑变形规律监测及FLAC模拟研究[D].陕西西安:西安科技大学,2009.

[2]任建喜.地铁车站深基坑围护结构变形规律监测研究[J].铁道工程学报,2009,126(3):89-92.

[3]张显飞.深基坑内支撑支护体系及其数值研究[D].陕西西安:西安建筑科技大学,2006.

[4]仇文革.地下工程近接施工力学原理与对策的研究[D].四川成都:西南交通大学,2003.

[5]贾堤.深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨[J].岩土工程学报,2008,30（s）：155-158.

[6]龚晓南.基坑工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[7]刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.

TU473

B

1009-7716（2016）03-0114-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.033

2015-11-11

胡琳（1984-），女，江苏无锡人，工程师，从事地铁建设工作。