地铁车站基坑开挖施工过程模拟计算和方案优化

第三届基坑工程学术讨论会论文（‘工业建筑》增刊２００４）

地铁车站基坑开挖施工过程模拟计算和方案优化

谢剑

（北京交通大学土木建筑工程学院北京１０００４４）

摘要：本文介绍用深开挖专用有限元计算机模拟分析系统进行深开挖施工全过程的计算机模拟，并根据模拟结果进行施工方案优化。介绍模拟和方案优化在实际工程中的应用。模拟中可对深开挖施工的全过程，包括开挖、架没支撑或锚杆、施加支撑预加力以及施工主体结构拆除支撑各施工阶段中引起的基坑周围的地面沉降、支护结构的侧向位移和内力、支撑体系的轴力进行计算，根据施工中这些控制因素，从多种施工方案中选择最优的施工方案。实例表明，用计算机模拟方法确定深开挖的优化方案具有科学、迅速等优点。

关键词：

深开挖数值计算方案优化

１引言

随着城市建设的发展，在城市建筑物、管道密集、交通繁忙的地区进行深开挖已经变得越来越普遍，而在这些地区进行深开挖和地下结构的施工是一件非常困难的工作。在施工过程中，既要保持围护和支撑体系和基坑本身的稳定，又要保证基坑相邻的建筑物、构筑物和地下管线的安全及正常使用，要求基坑围护体系能限制周围土体的变形，使其不会对周围的结构物、道路、桥梁、地下管网等造成损害。因此在确定施工方案时通过对多方案的技术经济对比和分析确定最优施工方案是非常重要的【３１。对施工方案进行技术上的优化过去主要是依靠经验判断和工程类比，但这样容易出现主观判断的失误。

多年来，许多专家对深开挖问题进行了大量的研究工作。这些研究工作和研究成果，对认识深开挖产生的地面位移的危害起到了重要作用，特别是对地面位移产生的机理及其影响因素在定性的角度有了比较一致的认识。但是在准确地预测深开挖对周围结构物和其他工程设施的影响方面还缺少有效手段。随着计算机技术的发展，以计算机数值模拟施工过程并根据模拟结果进行方案的可行性、经济性进行比较和判断不仅是可能的，而且具有显而易见的优点，例如可以迅速地模拟多种方案、可以求解各种具有复杂地质条件、加荷历史和边界条件的问题，模拟结果可以自动地以直观的图形方式显示和打印，可利用复杂的数学模型等等。Ｉ

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本文的目的是介绍基坑开挖的专用有限元计算机模拟分析系统在某地铁车站基坑开挖施工方案优化中的应用及模拟计算。

２深基坑开挖有限元计算机模拟分析显示系统ＰＬＡＸｌＳ

基坑开挖是一个特殊的力学过程。首先，对于地层土体，在开挖过程中，地层中不是受到通常的加载过程，而是基坑外侧土体承受被动的卸载，而内侧土体则是侧向压力增大和竖向压力减小的加载过程。对于支护结构，其外侧受到土压力作用，而内侧受到土体的抗力和侧向支撑力作用．在开挖过程中，作用于系统的荷载是由于开挖产生的释放应力而引起的，在每一步都是变化的，而且这种开挖释放荷载不是在开挖前可以预知的，每一步开挖的释放荷载必须由前一步开挖完成时土中应力场计算来得到，在开挖过程中要架设支撑并施加支撑预加力，同时，在每一步开挖时，基坑体系本身也是在变化的，基坑内的土体挖除后，计算区域发生了变化。对于这样复杂的过程进行模拟，通用的有限元程序是很难作到的。专用基坑开挖有限元分析显示系统ＰＬＡＸＩＳ可以很方便地完成对整个施工过程的模拟，计算土与结构的变形和应力ｔ并可自动显示各阶段的位移、应力和弯矩等计算结果。

ＰＬＡＸＩＳ系统主要由三部分组成：以下介绍这三部分的组成和功能。１）有限元分析数据输入系统（ｉｎｐｕｔ

第一作者：谢剑男北京交通大学硕士研究生

ｐｒｏｇｒａｍ）

万方数据　

３４４

该部分主要进行有限元分析的准备工作，建立几何模型，划分单元网格，输入土与结构的材料特性，设置初始条件，包括边界条件、地下水位等为分析计算做准备。弓）分析计算系统（ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ｐｒｏｇｒａｍ）

采用有限元来模拟基坑及其周围的土体，水平支撑和锚杆采用具有轴向刚度的杆件来模拟。基坑开挖一般包含很多工序，该部分可以对地面超载、基坑开挖、施加支撑和预加力、施做主体结构和拆除支撑的施工全过程进行连续的模拟分析，可以根据拟定的施工方案，随意地进行单元剖分，任意划分施Ｔ＿Ｔ序，设置每一步骤的迭代信息。

３）计算结果图形显示后处理系统（ｏｕｔｐｕｔ

ｐｒｏｇｒａｍ）

软件计算分析的结果经过后处理部分，可以独立可视化地显示，可以显示特定的数据信息，包括整个基坑体系的变形、基坑体系的应力场分布、支护结构的侧向变形和弯矩分布曲线、基坑外侧的地面沉降以及水平支撑或锚杆等支撑结构的轴力等，所有分析结果均可以图形和曲线的形式显示或打印出来，并可将结果输出到相应的处理软件中，进行加工和再分析。３模拟计算在施工方案优化中的应用

利用ＰＬＡＸＩＳ系统，完成了北京地铁四号线黄庄车站端头井施工的方案优化。该车站位于中关村大街

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