某地铁车站区域基坑盖挖法开挖有限元数值模拟

刘 芳 黄海波

(1.广西交通职业技术学院,南宁530012; 2.广西建设职业技术学院,南宁 530007)

0 引 言

随着城市的发展,地下空间的开发使用变得越来越重要,大量的地下工程出现于城市建筑设施密集区,包括地下通道,地铁车站,地下商业街等。因此,基坑工程的重要性日益凸显。为了不影响已建成设施的正常使用,基坑开挖过程的变形控制变得十分关键。许多学者已经开始研究基坑开挖对周围环境的影响[1-4]。

为了不影响地面交通,地下车站的施工往往采用盖挖法[5-7]。但是目前对于盖挖法施工相关的技术和理论研究还有待深入,实际施工往往需根据工程经验,并根据工程实际进行全面综合分析,因此对于盖挖法的理论研究具有重要的工程意义。本工程基坑与已建成地铁车站结构正交,采用盖挖法施工。本文通过数值模拟基坑开挖施工全过程,考虑逆作法顶板施工提供的支撑效应,监测地铁结构以及基坑本身变形规律,提出了一些变形控制方案,可以为同类工程提供参考。

1 基坑工程概况

1.1 工程概况

工程位于较为繁华的商业区和交通主干道内,图1为基坑工程平面布置图,新开挖基坑与已建成地铁结构正交,地坪标高为-0.1 m,基坑开挖深度为10.30 m。考虑到为了尽快恢复交通,主体结构采用盖挖逆做法施工,围护形式采用长螺旋钻孔桩加高压旋喷桩间止水,选用参数为φ700@1 000,L=15 m。施工顺序如下:①围护止水高压旋喷桩、钻孔桩、结构工程桩施工;②开挖浅部土方,施工盖板,盖板兼作围护桩支撑;③盖板结构强度达到100%后,施工管线及其他工序,回填上部覆土,恢复路面交通;④盖板下部按照分区、分层、分块的原则,开挖至底板垫层底;⑤基坑坑底以上30 cm土体进行人工挖土,清底后24小时内浇筑混凝土垫层和底板,垫层和底板施工至围护桩边;⑥施工地下人防剩余结构。

地铁结构底板垫层底标高约-16.67 m,地铁结构跨径18.3 m,柱径0.7 m×1.1 m,柱间距8 m,侧墙厚度0.7 m,中楼板厚0.4 m,顶板和地板厚0.9 m,地下连续墙厚0.8 m,墙底标高约-24.6 m。顶板(顶板梁)、中板(楼板梁)、底板(底板梁)、侧墙和内墙采用混凝土强度等级C35,立柱混凝土强度等级为C50。

图1 基坑工程平面分布图Fig.1 Plan graph pf foundation pit project

1.2 工程地质条件

工程场地地形平缓,地貌上属滇池湖相沉积盆地北部盘龙江冲洪积Ⅰ级阶地。勘探钻孔揭露深度范围内地基主要土层为第四系人工填土层(Qml),第四系冲洪积相(Qal+pl)黏土,第四系冲湖积圆砾、粉土、含粉质黏土圆砾、粉质黏土。场地土层自上而下依次为:①素填土,②黏土,②1粉土,③圆砾,③1粉土,④含粉质黏土圆砾,④1黏土,④2黏土。土层参数如表1所示。

表1土层参数

Table 1Parameters of the soil

2 模型建立

2.1 建立模型

根据已知工程资料分析,将模型简化如下。

其中考虑基坑开挖的最大影响范围3～4倍的开挖深度,因此模型长宽尺寸取为200 m×200 m的尺寸。影响深度为开挖深度的2～4倍[8],本模拟中基坑开挖深度为10.3 m,因此影响深度为20.6～41.2 m,同时考虑到基坑围护桩主要打入第③层土作为持力层,因此模型的深度尺寸取为52.6 m。图3为地基模型,模型分为五个部分,分别包括地基土(图3(a))、已有隧道(图3(b))、基坑开挖土(图3(c))、基坑挡墙(图3(d))和地基加固区(图3(e))。

图3(a)所示为开挖地基土的模型,其中每层分层为土层的分层。图3(b)为已有隧道模型,其中分区主要方便用于划分网格。图3(c)为基坑要开挖出的土体,其中分区主要是土层分区和人防结构的建立及基坑分布开挖的深度。图3(d)为基坑的挡墙,将灌注桩简化为连续墙,弹性模量通过面积等效进行计算确定,考虑到基坑开挖对隧道变形的控制,增加基坑底部加固方案,基底加固方法在其他工程中也有类似应用[5]。图3(e)为基坑底部的加固区,其区域模型基本与实际工程表示一致,进行了一定的简化,设置为连续的加固区。

图2 地基有限元模型Fig.2 Finite element model

图3 地基模型组成部分Fig.3 Composition of foundation model

2.2 材料参数设置

土体及加固区采用摩尔库伦本构模型。根据地质勘查资料,土体材料以及加固区部分模型参数的设置如表1所示。地铁结构材料如前述,C35混凝土弹模为3.15×104,密度为2 500 kg/m3,C50混凝土弹模为3.45×104,密度为2 500 kg/m3。考虑到计算效率,挡土结构等效简化为连续墙,因此其弹性模量简化为3.15×104,密度为2 000 kg/m3。

2.3 计算参数设置

对应工程实际施工步骤,有限元模拟分析步设置如表2所示。

表2分析步设置

Table 2Analytical steps setting

接触的设置较多,接触需要设置接触对,选择两个相接触的Part,设置可以分为表3所示的三种类型。

表3接触设置

Table 3Contact element setting

由于接触对较多,需要在设置接触时,将接触面单独设置出来。如图4所示,基坑挡墙与地铁结构的接触设置。

图4 基坑挡墙和地铁结构接触设置Fig.4 Retaining wall and subway structure contact setttig

荷载设置为模型整体加重力。边界条件为模型侧边限制侧向位移,底部限制竖向位移。

网格的划分在有限元的计算中十分重要,目前处于调节网格阶段,网格的好坏直接影响计算的结果。因此网格的划分十分重要。网格单元只要分为四面体单元和六面体单元(8节点和20节点)。对于规则的模型可以采用六面体单元进行划分,对于不规则或者复杂的模型可采用四面体单元进行划分。由于本模型基坑开挖结构复杂,因此模型采用四面体进行划分。

3 结果分析

3.1 开挖过程地铁结构变形

为了不影响已建成结构的安全和正常使用,基坑开挖对已建成隧道的影响应该控制在一定范围内,相关规范规定要求隧道竖向与水平位移不能超过20 mm,隧道变形曲率半径必须大于15 000 m,相对弯曲不大于1/2 500[3,9]。图5中在开挖过程中地铁车站中部z方向位移变化,数值大于零表示位移向上,可见随着基坑开挖,地铁隧道呈现隆起变形且变形总体随开挖深度增加而增大。图中能看出未经过基底加固模型地铁车站主体结构竖向位移较大(13.85 mm),因此考虑基坑坑底加固方案。

图5 地铁车站底部中点竖向变形随开挖过程的变化Fig.5 Vertical deformation in the middle of subway structureinthe excavation process

加固区域为图2(e),图5可以看出基底加固后地铁车站最大竖向变形减少了约63%。地铁车站主体结构水平变形控制在0.55 mm左右,竖向变形在5.13 mm左右。在开挖完成后地铁结构变形位移云图如图6所示。竖向变形影响较大,最大变形区域集中在地铁隧道中间部位,对应基坑的开挖部分。

图6 地铁车站开挖完成后变形图Fig.6 Deformation of the subway structure after excavation

由结果可知,采用在基坑底部边缘设置加固区方案开挖对现有地铁结构影响较小,产生的位移在一定程度上受边界的影响,但是由于模型尺寸较大,基坑对地铁车站的水平位移与竖向位移的影响能够在模型中得到很好地体现。地铁车站的水平位移与竖向位移控制在一定范围内,满足要求。可见加固土起到了较明显的作用。

3.2 挡墙变形结果

选取东侧基坑南侧挡墙中点位置处进行记录,开挖过程中此位置处随深度的位移如图7所示,大于零表示变形指向基坑内侧。

图7 开挖过程中挡墙变形Fig.7 Deformation of retaining wall in the excavation process

图7可以看出,第二步为开挖西侧第一层土,东侧还未开挖土体,因此东侧挡墙位移很小,第三步与第四步是同时的,即东侧第一层土开挖完直接在同一分析步中改的顶板参数,因此第三步记录的东侧挡墙位移很小,第四步则开始产生较明显的变形,可见挡墙较大变形的位置随着支撑结构的施加和开挖深度的变化而变化,挡墙上部变形较大,顶板支撑附近变形很小,表明支撑可以起到控制变形的作用。

图8为开挖完成后挡墙位移云图,挡墙结构水平位移x方向(即沿地铁车站的纵向方向)控制在1.78 mm。在挡墙的西北侧转折处、东北侧转折处,阳角(内折角)处由于基坑空间效应,受力较为不利,需要进行支撑加固,防止变形过大[10]。

图8 开挖完成后挡墙位移云图Fig.8 Displacement nephogram of retaining walls after excavation

3.3 地基土变形

地基土变形随着开挖过程逐渐加大,图9为开挖完成后整体基坑土体变形图,最大位移出现在基坑底部未加固区域,主要表现为隆起变形,最大位移控制在9.05mm左右(此时部分网格已经发生破坏,最大值发生在其他部分畸形网格位置)。

图9 开挖完成后地基土位移变形云图Fig.9 Displacement nephogram of the ground after excavation

3.4 二维模拟结果验证

由于未有现场实测数据,因此作为对比验证,同时对模型进行二维模拟,分析基坑土体及地铁主体结构底板竖向位移,模型以及开挖完成后变形见图10,模型参数和分析步设置均与三维模型保持一致。

表4为开挖过程中基坑和车站主体结构底板竖向位移。在未加固和加固工况下,地基土位移均随开挖加深而增大,最大位移分别为16.41 mm和8.87 mm,对于基底加固工况,最大位移出现在基底非加固区,可见坑底加固能有效减小基坑隆起,三维模拟得到基坑最大位移约为9.05 mm,与二维模拟结果接近。在基底未加固工况下,地铁结构底板位移随着开挖先增大后减小再增大,最大位移发生在第四步(16.33 mm),在加固工况下,地铁结构底板位移随着开挖加深而增大,最大位移为4.76 mm,位于底板位置,与图5进行对比可见,二维模拟车站结构底板位移结果和三维结果相一致。

图10 二维模型模拟结果Fig.10 The simulation results for 2-D model

表4二维模型模拟结果

Table 4Results of 2-D simulation

4 结 论

本文通过模拟某地铁车站基坑开挖过程对已建成地铁车站的影响,工程采取盖挖逆作法施工,并对比选择了基底加固方案,分析了开挖过程中地铁车站的变形以及支护结构和地基土的变形,同时考虑了盖挖法顶板作为支撑对基坑结构变形的影响。主要得出以下结论:

(1) 基底未加固模型开挖造成地铁车站变形较大,为了减小基坑开挖对已有地下结构的影响,采取加固基底部分区域的方案后,加固后地铁车站最大变形减少约63%。地铁车站变形主要集中在基坑开挖区域。

(2) 基坑开挖过程中变形主要集中在挡墙顶部,盖挖法顶板施工除了可以快速恢复交通,还可以作为支撑,能起到控制支护结构变形的作用。

(3) 地基土的变形随着开挖加深而逐渐增大,变形主要集中在非加固区。

(4) 建立了二维模型进行开挖过程模拟,基坑土体和地铁车站结构变形结果与三维保持一致,验证了结果的准确性。

本文研究结果为盖挖逆作法以及基坑开挖对已有隧道结构的影响相关的工程有一定的参考意义。