地铁车站深基坑开挖监测与数值分析
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2011 年 5 月 第 5 期（ 总 152 ）
铁 道 工 程 学 报 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY
May 2011 NO． 5 （ Ser． 152 ）
文章编号：1006 － 2106 （ 2011 ） 05 － 0081 － 05
地铁车站深基坑开挖监测与数值分析
取为 30 GPa， 泊松比 μ 取 0． 20 ， 容重 25 kN / m 。 钢支 609 mm ， 14 mm ， 撑直径为 壁厚 采用 Q235 － B 材料， 弹 性模量 E 取 200 GPa， 泊松比 μ 取 0． 26 。 各层土物理 力学参数如表 1 所示。
表1 层 号 1 2 3 4 5 6 7 8 土类 名称 杂填土 粉质黏土 粉质黏土 粉砂互层 粉砂 粉细砂 粉质黏土 粉细砂 强风化粉 砂岩 各层土物理力学参数
弹性 内摩 层厚 重度 / 粘聚力 擦角 泊松比 模量 －3 / m （ kN·m ） / kPa / （ °） / MPa 1． 50 6． 50 5． 80 5． 20 21． 1 2． 50 2． 50 3． 00 18． 6 19． 1 19． 0 19． 5 18． 7 19． 1 18． 7 24． 9 4． 00 18． 00 0． 3 13 20 23 26 29 22 30 35 15． 00 12． 00 0． 33 5． 00 0． 00 0． 00 0． 00 0． 00 13． 00 0． 3
［10 － 11 ］
某地铁车站为标准地下两层车站， 地下一层为站 厅层， 地下二层为站台层， 总长 183 m， 站台为地下两 层岛式站台， 主体建筑面积为 10 191． 1 m ， 出入口通 2 道、 风 道 建 筑 面 积 3 272． 2 m ， 车站主体建筑面积 13 463． 3 m 。标准段外包宽 30． 5 m， 主体结构顶板覆 土厚度 2． 42 ～ 5． 26 m 左右， 底板埋 20． 5 m （ 有效站台 中心处） ， 基坑底位于粉砂层和粉细砂层上， 潜水水位 在地面以下 0． 5 ～ 2． 0 m。 车站主体结构采用明挖法施工， 在大道段采用盖 挖顺作法施工。车站主体设有全外包防水层， 沿车站 长度方向依次分别开挖施工。车站主体结构采用钢筋 混凝土箱型结构， 围护结构采用地下连续墙加内支撑 ， 围护结构与主体结构采用复合墙的连接方式 。
3
2． 4
计算结果及分析
由于地下连续墙和钢支撑为主要的支护方式 ， 限 于篇幅的限制， 本文主要就地下连续墙的墙体变形和 支撑 轴 力 的 变 化 做 出 分 析 评 价。 借 助 有 限 元 软 件 PLAXIS 并结合理正深基坑设计软件对于基坑开挖过 得到墙体的位移及内力变化及相应位置 程进行模拟， 上支撑对于墙体和土体的影响。 2． 4． 1 对地下连续墙的水平位移进行模拟 ， 主要模拟 了开挖的四个工况， 包括了四道支撑的安装过程， 墙体 水平位移的变化趋势， 计算成果如图 2 和图 3 所示可 知墙体位移随埋深的增大而减少， 设置内支撑对土体 数值模拟墙体的变化规律 的变形有很好的抑制作用， 同实测数值基本吻合。
The Monitoring and Numerical Analysis of Deep Foundation in Subway Station
HUO Run － ke，YAN Ming － yuan， SONG Zhan － ping （ Xi’ an University of Architecture ＆ Technology，Xi’ an，Shanxi 710055 ，China） Abstract： Research purposes： In the process of underground engineering building，security and stability of metro community facility shows its own particularly significance． This paper illustrates a subway in digging process，observing and studying the security and stability of the soil and supporting research，provides reference for future construction of a subway station． Research conclusions： Through comprehensive analysis and evaluation，we get the changeable regular pattern． Among the law ， the horizontal displacement of digging deep retaining wall incremental growth from blew to top； during excavation，support axial force have obvious change，and ultimately to stabilize． Through the comparison of software， the conclusion was found that first line support for Foundation pit using reinforced concrete support is more reasonable， and exerting prestressing force on support is effectively to inhibit lateral displacement of diaphragm wall and soil． Key words： deep foundation； support deformation； cast in site diaphragm wall； finite element method 地铁车站深基坑工程作为一项复杂的综合性岩土 工程， 在施工过程中基坑内外土体应力状态的改变将 会引起土体的变形， 深基坑监测不仅可以保证基坑支 护和相邻建筑物的安全， 验证支护结构设计， 还可以指 导基坑开挖和围护结构的信息化施工， 为完善设计分 析提供必要的依据。本文结合某地铁车站深基坑工程 具体情况， 通过有限元程序与深基坑分析软件对地铁 ［1 － 2 ］ ， 车站深基坑进行了模拟计算 以及对现场监测结
30． 00 0． 32 32． 00 0． 30 0． 00 0． 00 0． 30 0． 35
15． 00 12． 00 0． 32
图2
基坑开挖墙体水平位移图
第5 期
霍润科
颜明圆
宋战平： 地铁车站深基坑开挖监测与数值分析
83
图3
基坑开挖过程中墙体水平位移变形曲线图
2． 4． 2
就支撑材料和预应力两方面来分析对墙体和 土体的影响， 把支撑分为未施加预应力与施加预应力 两种情况来做比较。从图 4 中可以看出当对支撑预加 轴力时， 墙体位移变化速率明显减缓， 位移也相对减 小， 同时墙体所受负弯矩减小， 可见预应力对于抵抗土 体和墙体的变形和减小被动土压力起到一定的作用 ， 所以在深基坑开挖过程中， 对支撑施加预应力， 特别是 软土地区， 可以有效的降低土体开挖对基坑稳定性带 来的不利影响。 该基坑在盖挖段使用钢筋混凝土支撑作为第一道 支撑， 现用钢支撑代替混凝土支撑来模拟 ， 得到其对墙 体的影响和变化规律。
3源自文库
3． 1
监测成果及分析
钢支撑轴力变化规律分析 基坑在开挖施工过程中要求对支撑预加轴力 ， 第
一、 二道支撑预加轴力为计算轴力 30% ～ 50% ， 第三、 四道支撑预加轴力为计计算轴力 50% 左右， 为控制墙 ， 体水平位移 钢支撑必须有重复预加轴力的装置 ， 下道 支撑安装后需对其上所有支撑调整预加轴力 。 根据开挖顺序可知， 在设置钢支撑时要施加预加 轴力， 随着土方的开挖， 土体卸载， 被动土压力减小， 导 致墙体水平位移有向基坑内侧发展的趋势 ， 钢支撑预 轴力相对逐渐增大， 待开挖完 加轴力与其抵消一部分， 成后， 支撑轴力趋于稳定。在支撑拆除阶段， 未拆除支 测点在支护拆除阶段也有明显的增 撑轴力变化明显， 长。因此需在支撑拆除阶段， 对其他相应支撑再复加 ， 预加轴力 以减小支撑拆除给整个基坑的稳定性带来 的不利影响。 从分析结果表明， 基坑在每层开挖完成以及支撑 相应位置的支撑轴力波动较大， 对基 拆除的两个阶段， 坑稳定性的影响较大， 故需采取相应的措施， 如在相应 ， 时段对支撑施加预加轴力 相关轴力计部分测点变化 # 趋势如图 6 所示， 图中 3 － 28 测点安装时间较短， 变化
霍润科
颜明圆
宋战平
（ 西安建筑科技大学， 西安 710055 ）
摘要：研究目的：在地下工程建设过程中 ， 地铁车站作为重要的地下建筑公共设施 ， 其安全性和稳定性显得尤 为重要。本文通过研究某地铁车站深基坑开挖过程 ， 对土体和支护的变形与稳定性展开研究 ， 为今后的地铁 车站建设提供借鉴和参考 。 研究结论：通过综合分析评价， 我们得出深基坑开挖过程中土体及支护的变化规律 ： 入土较深的围护墙体 并最终趋于稳定。通过模拟对比 水平位移自下而上程递增趋势增长 ； 支撑轴力随开挖过程有较明显的变化 ， 发现， 基坑的第一道支撑使用钢筋混凝土支撑较为合理 ， 对支撑施加预应力能够有效地抑制地连墙和土体的 侧向位移。 关键词：深基坑； 支护变形； 地下连续墙； 有限元 中图分类号：TU443 文献标识码：A
收稿日期：2011 － 03 － 10 基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目 （ 2009JM7005 ） ； 陕西省重点学科建设专项资金资助 （ E01004 ） ； 西安建筑科技大学人才科技基金 （ RC0708 ） 1963 年出生， 作者简介：霍润科， 男， 教授。
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铁
道
工
程
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铁
道
工
程
学
报
2011 年 5 月
起伏较大， 而其它支撑测点已处于稳定阶段 。
坑开挖时约束了土体的变形， 另一方面， 对于地下水有 一定的防渗作用， 由于地铁车站地下连续墙属于较早 完成的支护结构， 从图 8 可以看出， 地下连续墙在基坑 开挖初期位移较小， 随着土体不断向深层开挖， 其位移 也逐渐增大， 同时土体埋深越大其变化就相对较小 ， 这 与土体开挖时的受力和该层土体性质有关 。所以当基 坑开挖越深， 上方墙体的位移变化也越大， 但随着开挖 完成及相应的支撑的抑制作用， 墙体最终会达到稳定 同时墙体位移形式也完全符合墙体入土较深的 状态， 位移模式。
2
2． 1
开挖过程的数值分析
基本假定 由于地铁深基坑的实际施工过程较为复杂 ， 在使
图1 有限元模型网格划分示意图
用有限元和相关软件分析的过程中一般需将土体按弹 性或弹塑性材料进行分析， 为此做出如下假设： （ 1 ） 将 岩土体视为连续、 均匀、 各向同性介质， 采用 D － P 屈 服准则； （ 2 ） 仅考虑土体自重应力的影响。 2． 2 土体及支护的物理力学参数 地下连续墙及冠梁采用 C30 混凝土， 弹性模量 E
学
报
2011 年 5 月
果的分析来研究地铁车站深基坑在开挖过程中土体与 支护结构的变形规律。
2． 3
开挖过程与模拟方法 本次涉及基坑开挖模拟的施工过程为： 基坑开挖初
1
工程概况
期， 需等到地下连续墙和冠梁及其上部的挡土墙达到设 计强度后才能进行开挖， 基坑开挖至第一次开挖面， 设 置支撑并施加预加力， 这样依次开挖土体至基底。 型
2 2
根据车站基坑的基本情况建立二维有限元模 ， 根据现场勘测结果， 将基坑所在地区的土层
大致分为八层。模型左右两侧边界施加法向约束， 限 限制边 制边界的水平位移； 下侧边界也施加法向约束， 界的竖向位移， 本文选取 95 m × 52 m（ 宽 × 高） 的区域 3 545 个节 建立计算模型， 模型共划分了 392 个单元， 点。有限元网格划分模型如图 1 所示。
从图 5 可以看到， 使用钢支撑后， 墙体位移变化较 大， 相对弯矩也较大， 可见在使用支撑来确保基坑稳定 时， 并非刚度越大的支撑就越好， 而且在施加预应力的 时候， 也并非越大越好， 而需要根据安装支撑所在位置 土体在开挖过程中的受力情况而定 。第一道支撑使用 钢筋混凝土支撑对基坑初期开挖较为有利 ， 符合设计 要求。
铁 道 工 程 学 报 JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERING SOCIETY
May 2011 NO． 5 （ Ser． 152 ）
文章编号：1006 － 2106 （ 2011 ） 05 － 0081 － 05
地铁车站深基坑开挖监测与数值分析
取为 30 GPa， 泊松比 μ 取 0． 20 ， 容重 25 kN / m 。 钢支 609 mm ， 14 mm ， 撑直径为 壁厚 采用 Q235 － B 材料， 弹 性模量 E 取 200 GPa， 泊松比 μ 取 0． 26 。 各层土物理 力学参数如表 1 所示。
表1 层 号 1 2 3 4 5 6 7 8 土类 名称 杂填土 粉质黏土 粉质黏土 粉砂互层 粉砂 粉细砂 粉质黏土 粉细砂 强风化粉 砂岩 各层土物理力学参数
弹性 内摩 层厚 重度 / 粘聚力 擦角 泊松比 模量 －3 / m （ kN·m ） / kPa / （ °） / MPa 1． 50 6． 50 5． 80 5． 20 21． 1 2． 50 2． 50 3． 00 18． 6 19． 1 19． 0 19． 5 18． 7 19． 1 18． 7 24． 9 4． 00 18． 00 0． 3 13 20 23 26 29 22 30 35 15． 00 12． 00 0． 33 5． 00 0． 00 0． 00 0． 00 0． 00 13． 00 0． 3
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某地铁车站为标准地下两层车站， 地下一层为站 厅层， 地下二层为站台层， 总长 183 m， 站台为地下两 层岛式站台， 主体建筑面积为 10 191． 1 m ， 出入口通 2 道、 风 道 建 筑 面 积 3 272． 2 m ， 车站主体建筑面积 13 463． 3 m 。标准段外包宽 30． 5 m， 主体结构顶板覆 土厚度 2． 42 ～ 5． 26 m 左右， 底板埋 20． 5 m （ 有效站台 中心处） ， 基坑底位于粉砂层和粉细砂层上， 潜水水位 在地面以下 0． 5 ～ 2． 0 m。 车站主体结构采用明挖法施工， 在大道段采用盖 挖顺作法施工。车站主体设有全外包防水层， 沿车站 长度方向依次分别开挖施工。车站主体结构采用钢筋 混凝土箱型结构， 围护结构采用地下连续墙加内支撑 ， 围护结构与主体结构采用复合墙的连接方式 。
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计算结果及分析
由于地下连续墙和钢支撑为主要的支护方式 ， 限 于篇幅的限制， 本文主要就地下连续墙的墙体变形和 支撑 轴 力 的 变 化 做 出 分 析 评 价。 借 助 有 限 元 软 件 PLAXIS 并结合理正深基坑设计软件对于基坑开挖过 得到墙体的位移及内力变化及相应位置 程进行模拟， 上支撑对于墙体和土体的影响。 2． 4． 1 对地下连续墙的水平位移进行模拟 ， 主要模拟 了开挖的四个工况， 包括了四道支撑的安装过程， 墙体 水平位移的变化趋势， 计算成果如图 2 和图 3 所示可 知墙体位移随埋深的增大而减少， 设置内支撑对土体 数值模拟墙体的变化规律 的变形有很好的抑制作用， 同实测数值基本吻合。
The Monitoring and Numerical Analysis of Deep Foundation in Subway Station
HUO Run － ke，YAN Ming － yuan， SONG Zhan － ping （ Xi’ an University of Architecture ＆ Technology，Xi’ an，Shanxi 710055 ，China） Abstract： Research purposes： In the process of underground engineering building，security and stability of metro community facility shows its own particularly significance． This paper illustrates a subway in digging process，observing and studying the security and stability of the soil and supporting research，provides reference for future construction of a subway station． Research conclusions： Through comprehensive analysis and evaluation，we get the changeable regular pattern． Among the law ， the horizontal displacement of digging deep retaining wall incremental growth from blew to top； during excavation，support axial force have obvious change，and ultimately to stabilize． Through the comparison of software， the conclusion was found that first line support for Foundation pit using reinforced concrete support is more reasonable， and exerting prestressing force on support is effectively to inhibit lateral displacement of diaphragm wall and soil． Key words： deep foundation； support deformation； cast in site diaphragm wall； finite element method 地铁车站深基坑工程作为一项复杂的综合性岩土 工程， 在施工过程中基坑内外土体应力状态的改变将 会引起土体的变形， 深基坑监测不仅可以保证基坑支 护和相邻建筑物的安全， 验证支护结构设计， 还可以指 导基坑开挖和围护结构的信息化施工， 为完善设计分 析提供必要的依据。本文结合某地铁车站深基坑工程 具体情况， 通过有限元程序与深基坑分析软件对地铁 ［1 － 2 ］ ， 车站深基坑进行了模拟计算 以及对现场监测结
30． 00 0． 32 32． 00 0． 30 0． 00 0． 00 0． 30 0． 35
15． 00 12． 00 0． 32
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基坑开挖墙体水平位移图
第5 期
霍润科
颜明圆
宋战平： 地铁车站深基坑开挖监测与数值分析
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图3
基坑开挖过程中墙体水平位移变形曲线图
2． 4． 2
就支撑材料和预应力两方面来分析对墙体和 土体的影响， 把支撑分为未施加预应力与施加预应力 两种情况来做比较。从图 4 中可以看出当对支撑预加 轴力时， 墙体位移变化速率明显减缓， 位移也相对减 小， 同时墙体所受负弯矩减小， 可见预应力对于抵抗土 体和墙体的变形和减小被动土压力起到一定的作用 ， 所以在深基坑开挖过程中， 对支撑施加预应力， 特别是 软土地区， 可以有效的降低土体开挖对基坑稳定性带 来的不利影响。 该基坑在盖挖段使用钢筋混凝土支撑作为第一道 支撑， 现用钢支撑代替混凝土支撑来模拟 ， 得到其对墙 体的影响和变化规律。
3源自文库
3． 1
监测成果及分析
钢支撑轴力变化规律分析 基坑在开挖施工过程中要求对支撑预加轴力 ， 第
一、 二道支撑预加轴力为计算轴力 30% ～ 50% ， 第三、 四道支撑预加轴力为计计算轴力 50% 左右， 为控制墙 ， 体水平位移 钢支撑必须有重复预加轴力的装置 ， 下道 支撑安装后需对其上所有支撑调整预加轴力 。 根据开挖顺序可知， 在设置钢支撑时要施加预加 轴力， 随着土方的开挖， 土体卸载， 被动土压力减小， 导 致墙体水平位移有向基坑内侧发展的趋势 ， 钢支撑预 轴力相对逐渐增大， 待开挖完 加轴力与其抵消一部分， 成后， 支撑轴力趋于稳定。在支撑拆除阶段， 未拆除支 测点在支护拆除阶段也有明显的增 撑轴力变化明显， 长。因此需在支撑拆除阶段， 对其他相应支撑再复加 ， 预加轴力 以减小支撑拆除给整个基坑的稳定性带来 的不利影响。 从分析结果表明， 基坑在每层开挖完成以及支撑 相应位置的支撑轴力波动较大， 对基 拆除的两个阶段， 坑稳定性的影响较大， 故需采取相应的措施， 如在相应 ， 时段对支撑施加预加轴力 相关轴力计部分测点变化 # 趋势如图 6 所示， 图中 3 － 28 测点安装时间较短， 变化
霍润科
颜明圆
宋战平
（ 西安建筑科技大学， 西安 710055 ）
摘要：研究目的：在地下工程建设过程中 ， 地铁车站作为重要的地下建筑公共设施 ， 其安全性和稳定性显得尤 为重要。本文通过研究某地铁车站深基坑开挖过程 ， 对土体和支护的变形与稳定性展开研究 ， 为今后的地铁 车站建设提供借鉴和参考 。 研究结论：通过综合分析评价， 我们得出深基坑开挖过程中土体及支护的变化规律 ： 入土较深的围护墙体 并最终趋于稳定。通过模拟对比 水平位移自下而上程递增趋势增长 ； 支撑轴力随开挖过程有较明显的变化 ， 发现， 基坑的第一道支撑使用钢筋混凝土支撑较为合理 ， 对支撑施加预应力能够有效地抑制地连墙和土体的 侧向位移。 关键词：深基坑； 支护变形； 地下连续墙； 有限元 中图分类号：TU443 文献标识码：A
收稿日期：2011 － 03 － 10 基金项目：陕西省自然科学基础研究计划项目 （ 2009JM7005 ） ； 陕西省重点学科建设专项资金资助 （ E01004 ） ； 西安建筑科技大学人才科技基金 （ RC0708 ） 1963 年出生， 作者简介：霍润科， 男， 教授。
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起伏较大， 而其它支撑测点已处于稳定阶段 。
坑开挖时约束了土体的变形， 另一方面， 对于地下水有 一定的防渗作用， 由于地铁车站地下连续墙属于较早 完成的支护结构， 从图 8 可以看出， 地下连续墙在基坑 开挖初期位移较小， 随着土体不断向深层开挖， 其位移 也逐渐增大， 同时土体埋深越大其变化就相对较小 ， 这 与土体开挖时的受力和该层土体性质有关 。所以当基 坑开挖越深， 上方墙体的位移变化也越大， 但随着开挖 完成及相应的支撑的抑制作用， 墙体最终会达到稳定 同时墙体位移形式也完全符合墙体入土较深的 状态， 位移模式。
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2． 1
开挖过程的数值分析
基本假定 由于地铁深基坑的实际施工过程较为复杂 ， 在使
图1 有限元模型网格划分示意图
用有限元和相关软件分析的过程中一般需将土体按弹 性或弹塑性材料进行分析， 为此做出如下假设： （ 1 ） 将 岩土体视为连续、 均匀、 各向同性介质， 采用 D － P 屈 服准则； （ 2 ） 仅考虑土体自重应力的影响。 2． 2 土体及支护的物理力学参数 地下连续墙及冠梁采用 C30 混凝土， 弹性模量 E
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2011 年 5 月
果的分析来研究地铁车站深基坑在开挖过程中土体与 支护结构的变形规律。
2． 3
开挖过程与模拟方法 本次涉及基坑开挖模拟的施工过程为： 基坑开挖初
1
工程概况
期， 需等到地下连续墙和冠梁及其上部的挡土墙达到设 计强度后才能进行开挖， 基坑开挖至第一次开挖面， 设 置支撑并施加预加力， 这样依次开挖土体至基底。 型
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根据车站基坑的基本情况建立二维有限元模 ， 根据现场勘测结果， 将基坑所在地区的土层
大致分为八层。模型左右两侧边界施加法向约束， 限 限制边 制边界的水平位移； 下侧边界也施加法向约束， 界的竖向位移， 本文选取 95 m × 52 m（ 宽 × 高） 的区域 3 545 个节 建立计算模型， 模型共划分了 392 个单元， 点。有限元网格划分模型如图 1 所示。
从图 5 可以看到， 使用钢支撑后， 墙体位移变化较 大， 相对弯矩也较大， 可见在使用支撑来确保基坑稳定 时， 并非刚度越大的支撑就越好， 而且在施加预应力的 时候， 也并非越大越好， 而需要根据安装支撑所在位置 土体在开挖过程中的受力情况而定 。第一道支撑使用 钢筋混凝土支撑对基坑初期开挖较为有利 ， 符合设计 要求。