基于MIDAS_GTS对地铁站超深基坑空间效应的研究

铁 2 1年第 4期 01

道建

筑83

Rai y En i e rn l wa g n e i g

文章编号：0 31 9 (0 )4 0 8—3 1 0—9 5 2 1 0—0 3 0 1

基于 MI AS GT D/ S对地铁站超深基坑空间效应的研究李辉，罗沙，杨李征，江伟，鹏飞朱炊(安建筑科技大学土木工程学院，安西西 705 ) 10 5

摘要：坑支护结构具有空间效应，既定支护方案下，宜的开挖方式至关重要。利用 M D S G S基在适 I A/ T有限元分析软件对其支护结构、围地表以及坑底隆起的位移规律进行了三维数值模拟，拟结果与实周模测数据基本吻合；时对比分析了标准段采用分层开挖方式引起的基坑位移，位移值大于台阶式开同其

挖，明后者合理控制了基坑开挖的空间几何尺寸，表能有效减小基坑支护结构和土体的位移。关键词：间效应超深基坑开挖方式空基坑监测数值模拟

中图分类号： 2 l 4 U 3文献标识码： U 3 .;T 4 3 B

西安作为我国湿陷性黄土地区首次修建地铁的城市，关设计和施工经验相对不足，地铁车站开挖深相某

1 2支护方案 .

支护结构采用钻孔灌注桩+内支撑方案。基坑标准段支护桩直径 1 0 c桩心间距 10 c嵌固深度 2 m, 6 m,

度接近 3 I为该地区在建基坑工程之最，文基于 0I, T本 M D S G S对该工程不同开挖方式引起的基坑位移 IA/ T

为 9 I;构井段支护桩直径 10 c桩心间距 10 l盾 l 3 m, 5 c嵌固深度 1 m, 0m。自上而下设五道支撑和角撑，分另位于一1 2r, 6 7m, 1 7r, 7 7I. 4 2 4 .一 .一1 .一1 .一2 . n n n i。第一道支撑采用 8 0 mm×8 0 m混凝土支撑， n 0 0 m

的空间效应进行研究，类似工程的设计和施工具有对重要的现实意义。

1工程概述 1 1工程概况 .

其余各道采用直径 6 0 mm、厚 1 m的钢管内支 0壁 6m撑。盾构井段各道斜支撑水平间距 2 5 m,准段第 .标一

西安地铁一号线某地铁车站位于西安市交通主干道交叉

“”十字路口西侧，通繁忙、交车流量大，坑周基围建筑物密集，工程施工影响很大。对该车站为地下四层岛式站台，长度为 156总 3.0 T有 I,效站台中心里程为 Y K 6+ 0,效站台中心 I D 2 02有轨面高程为 3 9 5 8I。车站标准段宽 2 . 0I,挖 9 . 8 I T 10 I开 T

道支撑水平间距 6 m,二至第五道钢支撑水平间 第

距 3m。第二至第五道钢支撑施加预加轴力分别为 2 0 k,0 0 N 6 0 kN, 0 N, 0 N。 6 0 k 8 0k

1 3地质条件 .

该场地地貌属泸河三级阶地，工程地质条件复杂， 土层厚度分布不均，各层土性见表 1。表 1土层分布及其物理指标

深度为 2 . 0 m;构井段宽 2 . 0 m,挖深度为 7 1盾 95开 2 . 0m。车站平面图及基坑关键监测点如图 1 8 2所示。.

/

/I北万寿路

三皇长乐中路

.

耋皿 卫Ⅲ

——J二二 ——I二= l— 住小=_— _住小= 1 二二_二宅区} _— 宅区=二= 二图 1车站平面及基坑关键监测点示意 (位：m)单 e

车站工程建设影响范围内为地下潜水，定水位稳埋深 2 . 0~ 6 5 水位年变幅 2 m左右。主要含 5 5 2 . 0m, 水层为中更新统冲积粉质黏土 2~ 3层粗砂夹层，层该

收稿日期： 0 0 0 . 5;回日期：0 1 0 .5 2 1 -9 1修 2 1. 10

作者简介：辉 (9 3 )女，南洛阳人，教授，士。李 16一，河副硕

透水性好，水性强。赋

8 4

铁

道

建

筑

1 4开挖方案 .

支撑架设后该点的变形量是很小的。即支护结构的位移多在支撑架设之前已经发生，影响支护结构的内并力。所以在模拟开挖过程时，考虑这种支撑架设前要

采用明挖顺做法施工，循“挖快支”遵快的原则，每次开挖至各道支撑中心线附近，及时架设支撑。盾构井段采用分层开挖方式；准段采用台阶式开挖标 (方式 I)纵向有适当放坡，,长度约为 6m。同时模拟 了标准段分层开挖 (方式Ⅱ)每层厚度 3m,, 与方式 I 对

比分析。

的变形，为此各道支撑架设前后要分为不同工况。另 外周边地面超载引起土体固结在基坑开挖前早已完成，此周边地面超载应在基坑施工开始时施加。因

在 MI A/ T D S G S中，通过荷载步、化和激活单元钝来实现基坑的开挖与支护。首先建立原始地层模型， 施加位移约束边界条件，初始地应力条件下进行迭在

2建模与计算2 1基本假定 .

代计算使计算模型达到初始应力平衡，并使初始位移归零，模拟基坑开挖前土体的固结沉降。然后按照深基坑施工的顺序钝化开挖部分土体，活上一步开挖激土体部分的支撑单元和单元预应力，钝化下一步开再挖部分土体，如此继续，直至结束。

为了简化计算，基本假定如下：同一种材料为均①质、向同性；土体为理想弹塑性材料；桩和支撑各②③为弹性体；根据等截面刚度原理¨,护桩利用公④圳支式 H=7/ (中：为连续墙的厚度，为经验修正 7 式 D H叼系数，为支护桩的直径， D￡为桩心问距 )化为连续简

墙 (构井段厚度为 0 8标准段厚度为 0 7;盾 . 5 m,, 5m)

3结果分析 3 1水平位移 .

⑤考虑桩土间摩擦；⑥不考虑土体的排水固结；不考⑦虑由于支护结构施工对土体扰动的影响。2 2建立模型 .

从图 3可以看出，由于基坑上部土体强度较大，位移较小，在桩和钢支撑预加轴力的共同作用下使地表附近靠近桩顶处土体的水平位移值为负值，即土体向 坑外产生了位移。随着开挖深度的增加，动土压力主也随之增大，且基坑下部土体受湿陷性影响，强度迅速减小，位移急剧增大。又由于桩人土部分对底部位移

结合工程实际情况，用对称性，用一半模型进利采

。

圳

行计算。基坑开挖的影响深度为开挖深度的 2~ 4倍， 影响宽度为开挖深度的 3~4倍t0 m、为 10m、为 9 7宽 6高 0m。

,定模型长为确

采用位移约束条件：地表面为自由面；型四周约模束法向水平方向位移，面约束 ( Y底、、)3个方向位移；护桩底约束竖向位移。本构模型采用 Mar支 h

— cuo b屈服准则。土体采用实体单元，梁及支撑 ol m腰采用梁单元，续墙采用板单元，土间施加 G om n连墙 od a

的约束作用，导致水平位移曲线从上至下呈中问大两头小的“弓”,大值约在 2 3深度处。在离地表型最/H一

定距离的同一深度处，随着离坑壁距离的增加土体

水平位移值逐渐减小，成多个滑移面，是两段水平形这位移的共性。水平位移/ m a r一

接触单元。基坑两侧为公路和住宅小区，考虑到最不,n 2

6

1 1 1 n 4 8

2 2

利的因素，距基坑边缘 3m处施加均布荷载 2 P。在 0k a

有限元计算模型如图 2所示。

P X实测值 C 1 P X实涮值 C 2 P XI C计算值 P X计算值 C 2 P X实测值 C 4 P X计算值( C 4方式 J ) P X计算值( C4方式 I I )E

魅

图 3基坑各关键断面水平位移实测值与计算值图 2有限元计算模型

盾构井段最大水平位移都出现在长边和短边的中

2 3开挖过程模拟 .

部，测最大值分别为 1 .和 7 3 m计算最大实 2 5mm . m,值分别为 1 . 5 5mm和 8 4 m . m。标准段开挖方式 I引起的水平位移除两段交界拐角处位移较小外，向同纵

在深基坑工程开挖施工的每一个阶段，一层支某撑架设之前，点处支护结构已产生了很大的变形，该而

2 1年第 4期 01

基于 MI A/ T D S G S对地铁站超深基坑空间效应的研究

8 5

一

深度处水平位移基本相同，大水平位移实测值为最o 5 1 o

距基边距离/ m1 2 2 3 3 4 4 5 5 O 5 O 5 0 5 0

1. m, 6 1m计算值为 1 m。两者实测值与计算值基 7m本吻合。但与软土地区基坑位移控制标准 0 1 .日%或 3 m相比， 0m两段位移值约为 0 0 H%, .5均较小。删

{

对比发现，坑盾构井段开挖深度大于标准段，基但前者最大水平位移小于后者，是因为盾构井段开挖这总是先于标准段，且两者交界处及时架设支撑，盾构则井段可近似看做一个长宽尺寸较小的封闭基坑。而标

准段是一个长条形基坑，明基坑位移受其几何尺寸说影响较大，护结构存在空间效应。支

世翳

图 4基坑中部地表沉降实测值与计算值

开挖方式Ⅱ引起的水平位移在两段交界拐角处存在显著的空间效应，制了邻近区域的位移发展。随抑着离基坑拐角距离的增加，间效应逐渐减弱，基坑空在中线处最弱。因此同一深度最大水平位移出现在标准段中部，与方式 I不同。这一

3 5fJ 一 2—O —j

三\6 9 l 2

计算值(方式 I )计算值(方式『)『实测值

1 0 :5U j

离中心线距离， m

方式Ⅱ最大水平位移值为 2 . m,于方式 I。 02m大 这是由于在相同开挖宽度情况下，者每步纵向的开后挖几何尺寸小于前者，明基坑位移受开挖面的空间说2 O 2 4 6 8 O 2 4 6

图 5基坑坑底最大隆起实测值与计算值

4结论 1计算和监测结果表明， )与其他地区相同支护条件下的基坑位移规律类似，坑最大位移约为基 00 H,小于软土地区基坑位移控制标准 0 1% .5%远 .

几何尺寸影响。所以合理控制开挖面的空间几何尺寸，有效减小基坑位移。能3 2地表沉降与坑底隆起 .

图 4显示，靠近坑壁处，部土体向上隆起，在局这是由于桩土间摩擦和桩顶向坑外产生的水平位移共同

或 3 0mm。说明一方面黄土自承作用较大，一方面另增大支护结构刚度也有效限制了黄土湿陷性引起的附

作用引起的。之后沉降值先增大再减小，“”。呈勺形受支护桩水平位移影响，降最大值出现在各边中部。沉 盾构井段长边最大沉降值小于短边，是因为短边受这地面超载影响较大。以标准段中部 C4为例，大沉 J最

加位移。所以在湿陷性黄土地区基坑支护结构设计中要综合考虑这两方面的影响，实现工程安全、经济。2对比盾构井段和标准段基坑位移可知，坑位 )基

移受其几何尺寸影响很大，即基坑变形存在显著的三维空问效应，以对基坑工程进行三维分析是

很有必所要的。

降值出现在离坑壁约 1 .处。开挖方式 I引起的 60m

最大沉降实测值为 1 . m, 14 m计算值为 l . m,式 2 5m方Ⅱ引起的最大沉降值为 1 . m,者大于前者，明 44m后说支护桩水平位移增大，地表沉降也随之增大。从图 5可以看出，于开挖解除了土体的自重应由

3对于长宽尺寸较小的方形基坑可采用分层开 )挖方式，适当增加每层开挖厚度；于长条形基坑可可对采用台阶式开挖方式，有效减小基坑位移。在相同可开挖宽度条件下，一步开挖纵向与竖向的几何尺寸每的合理比值，有待进一步研究。还参考文献

力，底土产生回弹，开挖面上产生显著的隆起现坑在象。盾构井段最大隆起量出现在基坑中部偏两段交界处；准段纵向隆起规律基本一致，向呈“型，标横 M”即在支护桩下端出现踢脚现象。两段交界支护桩附近的隆起量最大，是因为两段开挖深度不同，界处又无这交

[]雪强，祖德，世秀 .深基坑支护的空间效应[]岩 1杨刘何论 J.土工程学报，9 8,0( 7—8 1 9 2 2):47 .

[]建霖，晓南 .基坑工程的空间性状分析[]岩土工程 2愈龚深 J.报，9 9, 1 1: 12 . 1 9 2 ( ) 2—5

支护桩约束盾构井段土体侧向位移，该处产生较大使应力集中。

[] 3熊保林，王希良，春娇 .边坡预应力锚索格子梁加固系路高统三维有限元分析[]铁道建筑，0 0 2:77 . J. 2 1 ( )6 - 0[]健航，学渊.坑工程手册[ .京： 4刘侯基 M]北中国建筑工业出版社，9 7 19 .

开挖方式 I引起最大隆起量实测值为 2 . m, 12 m

计算值为 3 . 5 9 mm,式Ⅱ引起最大隆起量为 3 .方 95 m两者中部隆起相近，后者踢脚值略大。实测值 m,而与计算值有一定差别，是因为坑底土体复杂，算参这计数取值不够准确，明坑底隆起主要受坑底土体弹性说模量影响，支护桩水平位移主要影响桩底踢脚值。

[]云安，鸿昌，崇蓉 .基坑工程变形控制及其影响因 5李张糜深素的有限

元分析[]水文地质工程地质，0 1 4:. . J. 2 0 ( ) 15

(责任审编赵其文)