在建城际铁路基坑开挖过程数值模拟研究

蔡明生，戚双星，罗锦涛

（1、广东省交通规划设计研究院股份有限公司 广州 510245；2、中化学南方建设投资有限公司 广州 510308；3、中化学南方建投（江西）有限公司 江西赣州 341499；4、北京市华远集团有限公司 北京 100044）

随着城市的快速发展，越来越多的城市间开始修建城际铁路。但近年来关于城市轨道交通建设发生的基坑问题屡见不鲜，已经成为了轨道交通施工中事故发生的重灾区［1-2］。现有研究发现，在开展建筑物基坑土方开挖施工过程中，不可避免地会造成周围基坑内土体变形，一旦坑内土体发生过度隆起，可能会对基坑周边既有防护结构产生破坏，严重威胁基坑的正常施工［3-4］。

基坑工程施工研究表明，开挖会改变既有土体的受力状态，从而对施工过程产生不利影响，如坑内土体隆起，基坑支护结构承载力下降、甚至破坏，变形过大侵入限界等［5-9］。综上所述，新建基坑等地下工程开挖，会造成原支护结构物的初始应力场不断发生变化，经过多次分层施工，将会多次发生非对称的扰动，支护结构将表现出极大的变异性［10-12］。因此，基于上述研究背景，本文采用MIDAS/GTS 有限元软件，建立城际铁路某车站基坑模型，分析开挖过程对基坑土体和围护结构的影响，研究成果可指导同类工程实践。

1 工程概况

1.1 工程简介

某城际车站位于深圳市，车站西侧为既有地铁4 号线（龙胜站～龙华站）高架区间，东北侧为空地，西南侧为住宅区，南侧为既有地铁6 号线（元芬站～上芬站）高架区间。该车站共设4 个出入口、1 个安全疏散口，3 组地面风亭组，1 个4 号线换乘通道。车站为地下两层明挖站。车站主体长283.6 m，标准段宽23.7 m，基坑深22.00～32.45 m，覆土厚度2.3～4.5 m。主体基坑围护结构采用连续墙/咬合桩+内支撑支护体系。

经收集调查《深圳市轨道交通线网规划（2016-2035）》资料核实，车站西侧为既有地铁4号线（龙胜站～龙华站）高架区间，基础为桩基础，桩长约30 m（摩擦桩），距离车站最小约16.56 m；车站南侧为既有地铁6 号线（元芬站～上芬站）高架区间，基础为桩基础，桩长约39.95～76.45 m（端承桩），距离车站最小约1.7 m，均在基坑0.7H影响范围以内。

1.2 地质与水文地质条件

工程建设场地原始地貌为冲洪积平原，地形较为平坦，地面高程约70.80～79.49 m。根据区域地质资料，区内尚未发现全新世沉积层为断裂切割现象及断裂活动形成的构造地貌，构造基本稳定，不会发生突发性构造运动。根据本工程场地区域地质资料、地质调查及勘探钻孔揭露，场地地层岩性从地表到基坑开挖深度范围内依次为：素填土、砂质黏性土、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中等风化花岗岩和微风化花岗岩。

2 数值分析

2.1 模型建立

该城际车站主体基坑采用明挖法施。利用MIDAS/GTS 有限元软件进行三维数值模拟分析，为消除边界效应，土体长度取基坑长度的3倍，模型X向长度取520 m，Y向长度取230 m，Z向长度取100 m。土体、桥面、桥墩、连梁、承台采用实体单元，土体采用修正摩尔-库伦本构模型，结构采用弹性本构模型；围护结构、楼板以及侧墙等采用板单元；支撑、梁、柱、轨道等采用梁单元；桩采用植入式梁单元；共计27 217 个节点，152 435 个单元。根据《深圳至大亚湾城际铁路工程定测工程地质勘察报告》提供的岩土体及结构物理力学指标建议值，结合工程实际情况及与其他工程类比，对计算中所用到岩土体进行取值，得到的计算模型如图1所示。

图1 计算有限元模型Fig.1 Calculation of Finite Element Models

2.2 模型材料参数选取

根据《深圳至大亚湾城际铁路工程定测工程地质勘察报告》提供的岩土体及结构物理力学指标建议值，结合工程实际情况及与其他工程类比，对计算中所用到的岩土体进行取值，如表1和表2所示。

表1 结构参数Tab.1 Structural Parameters

表2 土体参数Tab.2 Soil Parameters

2.3 模型材料参数选取

参照实际大型枢纽模型施工流程，拟建建筑物施工全过程工序如表3所示。

表3 施工过程工序模拟Tab.3 Construction Process Simulation

3 计算结果与分析

在有限元数值计算中，分别对每一层土开挖完的基坑进行模拟，分析土体竖向位移以及基坑施工对围护结构的影响。采用Midas 软件进行建模，对基坑整体模型进行参数赋值计算，得到的每层开挖过程中土体竖向位移云图和每层土围护结构竖向位移云图和水平位移云图。

按照拟建建筑施工全过程工序模拟，进行每层土的开挖模拟，对应的基坑土位移云图如图2所示。图2⒜开挖第1 层土土体最大隆起值3.69 mm，最大沉降值0.10 mm；由图2⒝开挖第2层土土体最大隆起值3.99 mm，最大沉降值0.15 mm；由图2⒞开挖第3 层土土体最大隆起值2.81 mm，最大沉降值0.18 mm；由图2⒟开挖第4层土土体最大隆起值2.19 mm，最大沉降值0.21 mm。

图2 开挖每层土土体竖向位移云图Fig.2 Cloud of Vertical Displacement of Soil in Each Layer of Excavation

同理，进行每层土的开挖模拟，分析基坑施工对围护结构的竖向位移云图和水平位移云图，分别如图3、图4 所示。基坑施工对围护结构的数值模拟计算得到竖向位移水平位移，由图3⒜开挖第1 层土围护结构最大竖向位移0.08 mm；由图3⒝开挖第2层土围护结构最大竖向位移0.12 mm；由图3⒞开挖第3层土围护结构最大竖向位移0.13 mm；由图3⒟开挖第4层土围护结构最大竖向位移0.12 mm。由图4（a）开挖第1层土围护结构最大水平位移0.53 mm；由图4⒝开挖第2层土围护结构最大水平位移0.64 mm；由图4⒞开挖第3层土围护结构最大水平位移0.59 mm；由图4⒟开挖第4 层土围护结构最大水平位移0.52 mm。

图3 开挖每层土围护结构竖向位移云图Fig.3 Vertical Displacement Clouds for Each Layer of the Excavated Soil Envelope

图4 开挖每层土围护结构水平位移云图Fig.4 Horizontal Displacement Clouds for Each Layer of the Excavated Soil Envelope

4 结论

本文以深圳某城际铁路车站基坑为研究对象，利用MIDAS/GTS有限元软件建立模型，数值模拟分层开挖过程中，研究每层开挖对基坑土体和围护结构的影响，结果表明：

⑴基坑开挖过程中，造成基坑周围土体沉降，基坑内底部土体隆起，基坑开挖至坑底，坑外土体最大沉降为0.21 mm，坑内土体最大隆起为3.99 mm。

⑵基坑开挖至坑底，围护结构最大竖向位移0.13mm（临近坑底隆起部分的围护），最大水平位移为0.64 mm。