深基坑设计环节有限元软件的应用研究

回鑫权

（吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132299）

1 设计概述

1.1 设计背景及研究现状

随着我国经济水平的不断提高，基础设施日益完善、城市人口不断增长，给城市交通带来了更大的压力。交通拥堵问题成为我国市民生活、工作出行的一大烦恼，我国从20世纪80年代开始发展城市轨道交通建设，以此来缓解交通拥堵问题。

目前，北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、武汉、南京等34 个城市建成投运城轨线路。城市轨道交通的发展有效地缓解了我国的交通拥堵问题，使出行方式更加便利，促进经济增长。由于地铁设施相比其他城市轨道交通设施，具有节省地上空间的优势，特别是在地上空间紧张的发达城市，地下交通的开发显得尤为重要。因此地铁设施在城市轨道交通中占比最高。

在地铁施工中，深基坑支护设计是地铁建设的重要问题之一。虽然我国对于深基坑支护设计已经有了部分理论体系，但是全国各地水文地质条件的差异、设计与施工的细节等诸多因素，导致在深基坑支护施工过程中有部分问题存在。在地铁工程中，深基坑的设计和施工是保证施工安全和施工顺利进行的前提。

在深基坑施工与设计过程中，由于缺少成熟的指导体系，有可能引发一些工程事故。深基坑内部变形过大，导致施工空间不足，无法正常施工；深基坑坍塌导致施工人员的生命安全受到威胁；深基坑内部的变形甚至会对深基坑附近的建筑和其他地下构筑物产生影响。由此可见，深基坑的设计一定要保证工程建设安全可靠，但是过于安全的设计也会导致工程费用和施工量的增加。综上所述，在设计过程中，应尽量选择、对比多种支护设计方案，对最终的方案进行优化，这样才能设计出一套经济、安全、合理的设计方案。随着软件的高速发展，有限元数值模拟可以帮助设计及施工人员直观发现设计及施工的问题，有效降低事故的发生概率。

1.2 设计概况

目前深基坑常用的有限元数值模拟软件有以下几 种：ABAQUS、ADINA、MSC、ANSYS、PIAXIS、GTS NX。该设计使用MIDAS/GTS 进行有限元数值模拟分析，对地下连续墙＋锚杆的支护方案建模，对其进行有限元分析，得出数值模拟结果。

1.3 深基坑支护类型

在深基坑工程中，深基坑常用的支护类型有：支挡式结构、土钉墙、重力式水泥土墙、放坡。根据不同的施工条件和环境，选用不同的材料进行支护，也可以将不同的支护类型配合使用。

1.4 设计任务与内容

1958年，广州开始了地铁的规划与设计，是我国较早建设地铁设施的城市之一，后来广州地铁高速发展，地铁运营体系不断完善，成为我国地铁线路最发达的城市之一。目前广州共有13 条运营线路，线路总长为390.6km。以广州地铁实际工程为例，根据该地区地质与水文条件，对广州地铁2 号线与3 号线换乘站旁的深基坑进行支护设计与施工方案进行设计。该深基坑的长、宽、深分别为101.65m、20m、14.5m。由于地铁换乘站附近地上及地下建筑物较为密集，为避免深基坑开挖时对周边建筑物产生影响，使用有限元软件设计支护方式，建模并对其进行有限元数值模拟，提取模型中各部分剪力、弯矩、轴力、位移等参数。

2 设计理论与方法

2.1 设计原则

在设计前，应当规定深基坑的设计使用期限，一般情况下深基坑支护的设计使用年限不应在1年以下。深基坑支护设计与施工应避免对周围构筑物、地下管线、周边道路等产生影响，导致发生安全事故，在此基础上，还要保证主体结构的施工空间。在深基坑的设计过程中，会根据施工现场的环境和施工需要将深基坑划分不同等级，安全等级分为一级、二级、三级。具体规定参考《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）。设计完毕后，应对深基坑支护采用承载能力极限状态和正常使用极限状态对深基坑整体的稳定性、抗隆起的稳定性、深基坑支护结构的合理性、地面沉降等进行验算。

2.2 支护类型设计

深基坑支护设计类型的选择取决于诸多因素：深基坑尺寸即深基坑的长、宽及深度，水土条件，深基坑失稳对周边地下构筑物、地下管线、道路等的影响，主体地下结构的空间形式，现场施工条件及环境，施工地点（地理位置），工程经济（工程量及施工费用）、施工工期预测、环境保护措施。以上都是影响深基坑支护类型选择的因素。

在不同支护结构的连接处及过渡段应有安全可靠的连接措施；每种支护形式都有不同的施工工艺与流程，应根据现场施工条件、施工环境、支护类型等确定相应的施工工艺和流程，保证施工安全顺利进行，有针对性地解决不同的施工难题。

2.3 水平荷载

计算支护结构水平荷载时，需要考虑如下因素：深基坑内外土的自重（包含地下水）、深基坑附近既有及在建建筑物的自重影响、深基坑周边施工设备自重的影响、施工材料荷载的影响、深基坑周边范围道路上车辆荷载的影响、高温或低温产生的影响（温度变化）。

2.4 承载能力分析与验算

在对支护结构进行设计时，应采用承载能力极限状态和正常使用极限状态进行分析与验算。

3 工程概况

3.1 设计资料

该地铁深基坑工程位于广州市轨道交通网中2 号线与3 号线换乘站旁。2 号线与3 号线换乘站的主体结构采用三层两跨结构，该站横穿港新中路，由南向北布置，南面通向大唐塔，北面通向赤岗路。车站东侧、南侧、西侧、北侧分别为珠海影视公司、信息产业部第七研究所、新港小学、自然资源部南海局、在建使馆区。该地区地势北低南高。深基坑长为101.65m，宽为20m，深度为14.5m。土层信息表见表1。

表1 土层信息

层号1234土类名称素填土淤泥质土黏性土中砂层厚/m 3.00 4.50 6.00 7.00重度/（kN·m3）19.1 18.3 20.6 19.7黏聚力/kPa 17.00 3.66 23.10 0.00内摩擦角/°8.57 10.66 24.62 40.00

3.2 水文地质条件

根据钻探和地下水位观测结果，对含水层的埋藏条件和水理特征进行分析，判定该场地在勘探深度范围内存在承压水，埋藏在地面下24～27.4m 之间，赋存于砂层中。该土层富水性好，水量丰富，中粗砂层透水性强，属强透水层，具有承压性。根据抽水试验时设置的2 个观测井的观测结果，此层承压水的水头距地面25m。

4 设计与计算

4.1 土压力计算

土压力计算结果见表2。

表2 土压力计算结果

土层素填土淤泥质土黏性土中砂土层厚度/m3 4.5 67主动土压力/（kN/m）19.77 232.10 506.24 580.98被动土压力/（kN/m）234.57 684.01 3366.88 4708.89

4.2 有限元数值模拟

4.2.1 MIDAS/GTS 软件概况

MIDAS 是韩国开发的包含了岩土、桥梁、建筑、机械等领域的一系列软件，其中MIDAS/GTS 就是这些软件其中之一，主要用于三维岩土有限元分析软件，其原理是将简化的物理模型转化为数学问题（运动微分方程、有效应力原理、连续方程、本构方程等），然后利用数学方法求解，解决现实中的工程问题。MIDAS/GTS 数值模拟分析一般适用于土工格栅挡墙稳定分析、桩锚支护边坡稳定性分析、土石坝应力变形分析、堤坝的非稳定流分析、单桩承载力分析、砂井固结分析、深基坑开挖分析、隧道开挖分析、桩基动力分析、隧道爆破分析、地铁端头井分析等实际问题。一般MIDAS/GTS 建模的主要过程为：定义材料属性—建立实体模型—划分网格—定义边界条件—设置荷载—定义工况信息—运行分析。使用MIDAS/GTS 进行深基坑开挖分析，建立地下连续墙与锚杆相结合的支护方式，进行有限元数值模拟。

4.2.2 建立模型

采用地下连续墙与锚杆结合的支护方式建立模型。在建立模型之前，需要查询资料，补全设计资料中缺少的参数，为建模前材料的属性定义做准备。根据建模需要，定义钢筋混凝土、钢材、素填土、淤泥质土、黏性土、中砂几种材料，定义地下连续墙、锚杆、素填土、淤泥质土、黏性土、中砂的属性。

材料属性定义完毕后，就可以进行实体建模了，首先建立200m×200m×30m 的长方体实体模型，利用实体分割功能对建立的实体进行分割，按土层信息分割出各个土层的实体，然后按照设计的工况对开挖部分进行实体分割，最后利用布尔运算生成实体模型。实体分割操作结束，接着开始进行自动连接操作，该操作的目的是使各区域边界上的节点耦合。在做完上述步骤后开始划分网格，该方案采用地下连续墙与锚杆相结合的支护方式，建模中地下连续墙采用板单元，为2D 模型，锚杆采用梁单元，为1D 结构。在MIDAS/GTS 中有锚杆建模助手功能，利用此功能进行锚杆设置，在支护结构网格划分完毕后，再根据土层信息和开挖部分划分网格。由于电脑性能原因将网格大小设置为5，生成结果。接下来设置荷载条件，在该模型中只需设置自重即可，自重方向设置与Z 轴方向相反，为防止岩土边界发生位移或转动，需要约束其边界条件，即设置边界约束条件。完成边界约束后，即可定义施工阶段，其步骤见表3。

表3 施工阶段定义表

施工阶段阶段一（需勾选位移清零）阶段二阶段三阶段四阶段五激活数据网格素填土层、淤泥质土层、黏性土层、中砂层、中砂底层、开挖1-1、开挖1-2、开挖2、开挖3-1、开挖3-2、开挖4-1、开挖4-2地下连续墙第一层锚杆第二层锚杆第三层锚杆钝化数据网格/阶段六开挖1-1、开挖1-2网格部分开挖2开挖3-1、开挖3-2开挖4-1、开挖4-2/

4.2.3 分析结果提取

分析结果提取见图1～图4。

图1 开挖至坑底土体位移云图

图2 开挖至坑底支护结构位移云图

图3 开挖至坑底锚杆及地下连续墙弯矩云图

图4 开挖至坑底锚杆及地下连续墙剪力云图

在图2中模型各部分颜色对照右侧信息可以提取出各部分位移值。开挖至坑底支护结构最大位移绝对值为26.4433mm，在25～30mm 之间，根据《建筑深基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009），该深基坑施工符合监测控制要求。在图3中模型各部分颜色对照右侧信息可以分析出支护结构各部分的弯矩值，其中最大弯矩为237.52kN·m。在图4中模型各部分颜色对照右侧信息可以分析出各部分的剪力值，其中最大剪力值为157.35kN，最大轴力值为618.92kN。

5 结语

以广州地铁某深深基坑支护设计为工程实例，根据所给的设计资料和《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）的要求，进行了支护结构的设计，使用MIDAS/GTS 建立地下连续墙与锚杆相结合的实体模型，开挖至坑底支护结构最大位移绝对值为26.4433mm，在25～30mm 之间，根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009），该深基坑施工符合监测控制要求。该技术手段可帮助设计人员进行设计，帮助施工单位降低安全事故发生的概率。