基于MIDAS_GTS对地铁站超深基坑空间效应的研究_李辉

有限元计算模型如图 2 所示。
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，并 影 响 支 护 结 构 的 内 力。所以在模拟开挖 过 程 时，要 考 虑 这 种 支 撑 架 设 前 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 ，因 此 周 边 地 面 超 载 应 在 基 坑 施 工 开 始 时 施 加［5 ］。
19 16 17 18 18 20 21 21. 5
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0
车站工程建设影 响 范 围 内 为 地 下 潜 水，稳 定 水 位 埋深 25. 50 ～ 26. 50 m，水位年变幅 2 m 左 右。 主 要 含 水层为中更新统冲积粉质黏土 2 ～ 3 层粗砂夹层，该层 透 水 性 好 ，赋 水 性 强 。
图 2 有限元计算模型
2. 3 开挖过程模拟 在深基坑工程开 挖 施 工 的 每 一 个 阶 段，某 一 层 支
撑 架 设 之 前 ，该 点 处 支 护 结 构 已 产 生 了 很 大 的 变 形 ，而
图 3 基坑各关键断面水平位移实测值与计算值
盾构井段最大水平位移都出现在长边和短边的中 部，实测最大值分别为 12. 5 mm 和 7. 3 mm，计 算 最 大 值分别为 15. 5 mm 和 8. 4 mm。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，纵 向 同
结 合 工 程 实 际 情 况 ，利 用 对 称 性 ，采 用 一 半 模 型 进 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［3-4］，确 定 模 型 长 为 170 m、宽为 160 m、高为 90 m。
采用位移约束条件：地表面为自由面；模型四周约 束法向水平方 向 位 移，底 面 约 束 （ x、y、z） 3 个 方 向 位 移；支 护 桩 底 约 束 竖 向 位 移。 本 构 模 型 采 用 Mahrcoulomb 屈服 准 则。 土 体 采 用 实 体 单 元，腰 梁 及 支 撑 采用梁单元，连续墙采用板单元，墙土间施加 Goodman 接触单元。基坑两侧 为 公 路 和 住 宅 小 区，考 虑 到 最 不 利的因素，在距基坑边缘 3 m 处施加均布荷载 20 kPa。
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铁道建筑
April，2011
1. 4 开挖方案 采用明挖顺 做 法 施 工，遵 循“快 挖 快 支 ”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； 标 准 段 采 用 台 阶 式 开 挖 （ 方式Ⅰ） ，纵向有适当放坡，长度约为 6 m。同时模拟 了标准段分层开挖（ 方式Ⅱ） ，每层厚度 3 m，与方式 Ⅰ 对比分析。
方式Ⅱ最大水平位移值为 20. 2 mm，大于方式 Ⅰ。 这是由于在相同开挖 宽 度 情 况 下，后 者 每 步 纵 向 的 开 挖几何尺寸小于前者，说 明 基 坑 位 移 受 开 挖 面 的 空 间 几何尺寸 影 响。 所 以 合 理 控 制 开 挖 面 的 空 间 几 何 尺 寸 ，能 有 效 减 小 基 坑 位 移 。 3. 2 地表沉降与坑底隆起
1 工程概述
1. 1 工程概况 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，交 通 繁 忙、车 流 量 大，基 坑 周 围 建 筑 物 密 集 ，对 工 程 施 工 影 响 很 大 。
该车站 为 地 下 四 层 岛 式 站 台，总 长 度 为 135. 60 m，有效站台中心 里 程 为 YDK26 + 002，有 效 站 台 中 心 轨面高程为 399. 588 m。车站标准段宽 21. 00 m，开挖 深度为 27. 10 m； 盾 构 井 段 宽 29. 50 m，开 挖 深 度 为 28. 20 m。车站平面图及基坑关键监测点如图 1 所示。
图 4 显 示，在 靠 近 坑 壁 处，局 部 土 体 向 上 隆 起，这 是由于桩土间摩擦和桩顶向坑外产生的水平位移共同 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 ，沉 降 最 大 值 出 现 在 各 边 中 部 。 盾构井段长边最大沉 降 值 小 于 短 边，这 是 因 为 短 边 受 地面超载影响较 大。 以 标 准 段 中 部 CJ4 为 例，最 大 沉 降值出现在离坑壁约 16. 0 m 处。开挖方式 Ⅰ 引起的 最大沉降实测值为 11. 4 mm，计算值为 12. 5 mm，方式 Ⅱ引起的最大沉降值为 14. 4 mm，后者大于前者，说明 支 护 桩 水 平 位 移 增 大 ，地 表 沉 降 也 随 之 增 大 。
基于 MIDAS / GTS 对地铁站超深基坑空间效应的研究
李 辉，杨罗沙，李 征，朱江伟，炊鹏飞
（ 西安建筑科技大学 土木工程学院，西安 710055）
摘要：基坑支护结构具有 空 间 效 应，在 既 定 支 护 方 案 下，适 宜 的 开 挖 方 式 至 关 重 要。 利 用 MIDAS / GTS 有 限 元 分 析 软 件 对 其 支 护 结 构 、周 围 地 表 以 及 坑 底 隆 起 的 位 移 规 律 进 行 了 三 维 数 值 模 拟 ，模 拟 结 果 与 实 测数据基本吻合；同时对比分析了标 准 段 采 用 分 层 开 挖 方 式 引 起 的 基 坑 位 移，其 位 移 值 大 于 台 阶 式 开 挖 ，表 明 后 者 合 理 控 制 了 基 坑 开 挖 的 空 间 几 何 尺 寸 ，能 有 效 减 小 基 坑 支 护 结 构 和 土 体 的 位 移 。 关键词：空间效应 超深基坑开挖方式 基坑监测 数值模拟 中图分类号：U231 + . 4； TU433 文献标识码：B
3 结果分析
3. 1 水平位移 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，主 动 土 压 力 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 入 土 部 分 对 底 部 位 移 的约束作用，导致水 平 位 移 曲 线 从 上 至 下 呈 中 间 大 两 头小的“弓”型，最 大 值 约 在 2 /3H 深 度 处。 在 离 地 表 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 ，形 成 多 个 滑 移 面 ，这 是 两 段 水 平 位移的共性。
在 MIDAS / GTS 中，通 过 荷 载 步、钝 化 和 激 活 单 元 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，在 初 始 地 应 力 条 件 下 进 行 迭 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，激 活 上 一 步 开 挖 土体部分的支撑单元 和 单 元 预 应 力，再 钝 化 下 一 步 开 挖 部 分 土 体 ，如 此 继 续 ，直 至 结 束 。
2011 年第 4 期
基于 MIDAS / GTS 对地铁站超深基坑空间效应的研究
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一深度处水平位移基 本 相 同，最 大 水 平 位 移 实 测 值 为 16. 1 mm，计算 值 为 17 mm。 两 者 实 测 值 与 计 算 值 基 本吻合。但与软土地区 基 坑 位移控制标准 0. 1H% 或 30 mm 相比，两段位移值约为 0. 05H% ，均较小。
对比盾构井段和标准段基坑位移可知基坑位移受其几何尺寸影响很大即基坑变形存在显著的三维空间效应所以对基坑工程进行三维分析是很有必对于长宽尺寸较小的方形基坑可采用分层开挖方式可适当增加每层开挖厚度
铁道建筑
2011 年第 4 期
Railway Engineering
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文 章 编 号 ：1003 -1995 （ 2011 ） 04 -0083 -03
对 比 发 现 ，基 坑 盾 构 井 段 开 挖 深 度 大 于 标 准 段 ，但 前者最大水平位移小 于 后 者，这 是 因 为 盾 构 井 段 开 挖 总 是 先 于 标 准 段 ，且 两 者 交 界 处 及 时 架 设 支 撑 ，则 盾 构 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，说 明 基 坑 位 移 受 其 几 何 尺 寸 影 响 较 大 ，支 护 结 构 存 在 空 间 效 应 。
该 场 地 地 貌 属 浐 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
岩土 名称
厚度 /m
弹性
天然
饱和 内摩
模量 泊松比 重度
重度 擦角
/ MPa
/ （ kN / m3 ） / （ kN / m3 ） / （ °）
黏聚力 / kPa
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，抑 制 了 邻 近 区 域 的 位 移 发 展。 随 着 离 基 坑 拐 角 距 离 的 增 加 ，空 间 效 应 逐 渐 减 弱 ，在 基 坑 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 ，这 与 方 式 Ⅰ 不 同 。
杂填土 0. 60 8
素填土 1. 00 21
新黄土 7. 50 16
古土壤 3. 00 20
老黄土 12. 50 19
粉质黏土 2. 50 21
粗砂 1. 50 400
砾砂
450
0. 37 0. 35 0. 28 0. 30 0. 33 0. 29 0. 33 0. 30
16. 5 13. 9 13. 8 16. 3 16. 4 19. 4 21. 0 21. 5
西安作为我国湿陷性黄土地区首次修建地铁的城 市 ，相 关 设 计 和 施 工 经 验 相 对 不 足 ，某 地 铁 车 站 开 挖 深 度接近 30 m，为 该 地 区 在 建 基 同 开 挖 方 式 引 起 的 基 坑 位 移 的空间效应进行研究，对 类 似 工 程 的 设 计 和 施 工 具 有 重要的现实意义。
2 建模与计算
2. 1 基本假定 为 了 简 化 计 算 ，基 本 假 定 如 下 ：① 同 一 种 材 料 为 均
质、各向同性；②土体 为 理 想 弹 塑 性 材 料；③ 桩 和 支 撑 为弹性体；④根据 等 截 面 刚 度 原 理［1-3］，支 护 桩 利 用 公 式 H = ηD / L （ 式中：H 为连续墙的厚度，η 为经验修正 系数，D 为支护桩 的 直 径，L 为 桩 心 间 距 ） 简 化 为 连 续 墙（ 盾构井段厚度为 0. 85 m，标 准 段 厚 度 为 0. 75 m） ； ⑤考虑桩土间摩擦；⑥不考虑土体的排水固结；⑦不考 虑由于支护结构施工对土体扰动的影响。 2. 2 建立模型
图 1 车站平面及基坑关键监测点示意 （ 单位：cm）
收稿日期：2010-09 -15；修回日期：2011 -01 -05 作者简介：李辉（1963— ） ，女，河南洛阳人，副教授，硕士。
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 120 cm，桩 心 间 距 160 cm，嵌 固 深 度 为 9 m； 盾 构 井 段 支 护 桩 直 径 130 cm，桩 心 间 距 150 cm，嵌 固 深 度 10 m。自 上 而 下 设 五 道 支 撑 和 角 撑，分 别位于 － 1. 2 m，－ 6. 7 m，－ 11. 7 m，－ 17. 7 m，－ 24. 2 m。第一道 支 撑 采 用 800 mm × 800 mm 混凝土支撑， 其余各道采用 直 径 600 mm、壁 厚 16 mm 的 钢 管 内 支 撑。盾构 井 段 各 道 斜 支 撑 水 平 间 距 2. 5 m，标 准 段 第 一道支撑水平间 距 6 m，第 二 至 第 五 道 钢 支 撑 水 平 间 距 3 m。第二至第五道钢支撑施加预加轴力分别为 200 kN，600 kN，600 kN，800 kN。 1. 3 地质条件