某地鐵車站不規(guī)則基坑的三維有限元分析

曾祥會

(天津濱海新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，天津 300450)

1 概述

隨著城市化的發(fā)展,地鐵的興建已經(jīng)成為解決由城市發(fā)展帶來的交通問題的最有效途徑,地鐵的建設(shè)也將極大帶動沿線周邊區(qū)域的發(fā)展[1]。目前地鐵車站結(jié)合周邊商業(yè)開發(fā)共同建設(shè)的模式越來越成為城市發(fā)展的主流,結(jié)合地塊設(shè)計的地鐵車站也越來越多,受此影響,地鐵車站的外形多種多樣,基坑深度深淺不一[2]。由于目前基坑工程采用的支護(hù)計算分析軟件多為選取斷面分析,對不同深度基坑的不平衡水土側(cè)壓力無法準(zhǔn)確模擬,因此,選用合理的三維有限元程序通過計算模擬施工,能最大程度的模擬施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐的內(nèi)力變化,利用計算結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計施工[3，4]。

本文就是基于以上原因,在地鐵車站的設(shè)計過程中,采用結(jié)構(gòu)設(shè)計有限元分析軟件MIDAS/GEN按照分步開挖的施工過程進(jìn)行模擬計算,分析對于外形不規(guī)則、深度不等的地下車站基坑工程,采用明挖順做法施工時施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐的內(nèi)力變化,從而指導(dǎo)設(shè)計、施工。

2 工程概況

本工程為天津地鐵3號線解放橋站,位于城市商業(yè)中心,車站結(jié)合地塊開發(fā)進(jìn)行設(shè)計；站址附近保護(hù)性建筑物較多,距離最近的約1.5 m,車站大里程距離海河約24.5 m；本站為地下3層車站,地下1層為車站站廳層,面積約8 200 m2,結(jié)合地塊開發(fā)設(shè)置部分綜合服務(wù)區(qū),地下2、3層為車站設(shè)備層、站臺層,面積各約3 400 m2；地下1層1級基坑深度13.1 m,地下2、3層2級基坑一般段基坑深29.85 m、盾構(gòu)井處基坑深31.45 m；采用明挖法施工,圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻,1級基坑采用2道鋼筋混凝土支撐,2級基坑采用4道(局部5道)鋼管支撐。

基坑橫斷面見圖1。

圖1 基坑橫斷面

本站站址范圍內(nèi)地層軟弱,主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層(人工堆積Qml)、新近沉積層(第四系全新統(tǒng)新近組故河道、洼淀沖積Q43Nal)、第Ⅰ海相層(第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積Q42m)、第Ⅱ陸相層(第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積Q41h及河床～河漫灘相沉積Q41al)、第Ⅲ陸相層(第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積Q3eal)、第Ⅱ海相層(第四系上更新統(tǒng)四組濱?！毕珟喑练eQ3dmc)、第Ⅳ陸相層(第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積Q3cal)、第Ⅲ海相層(第四系上更新統(tǒng)二組淺海～濱海相沉積Q3bm)、第Ⅴ陸相層(第四系上更新統(tǒng)一組河床～河漫灘相沉積Q3aal)、第Ⅳ海相層(第四系中更新統(tǒng)上組濱海三角洲相沉積Q23mc)。

站址范圍內(nèi)地下水埋置深度較淺,水位埋深約1.0 m。

3 計算模型的選擇

本工程為地下多層框架結(jié)構(gòu),主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),根據(jù)地層軟弱及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)彈性可恢復(fù)的特點,可考慮將水土壓力形成的荷載直接作用到圍護(hù)結(jié)構(gòu)上,按荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算,也可根據(jù)土的試驗實測參數(shù),取結(jié)構(gòu)外側(cè)一定范圍的土體,按地層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算[5-6]。

荷載結(jié)構(gòu)模型是結(jié)構(gòu)被動的承受基坑外部土體帶來的荷載,結(jié)構(gòu)內(nèi)力按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計算,基坑外部土體的彈性抗力是結(jié)構(gòu)與土體相互作用的唯一反映,計算可通過彈簧模擬被動彈性抗力[7]。

地層結(jié)構(gòu)模型是地層與結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系,荷載來自地層的初始應(yīng)力和施工引起的應(yīng)力釋放；結(jié)構(gòu)內(nèi)力與地層重分布應(yīng)力一起按連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法計算,地層與結(jié)構(gòu)的相互作用以變形協(xié)調(diào)條件來體現(xiàn)[8]。

經(jīng)綜合分析考慮,荷載結(jié)構(gòu)模型較地層結(jié)構(gòu)模型能更好的反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài),在軟土地層中具有較高安全儲備,且建模計算較簡便,因此本工程采用荷載結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析模擬。

4 有限元計算過程模擬

(1)計算邊界條件

①依據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗假定各結(jié)構(gòu)的界面尺寸,材料按實際設(shè)計參數(shù)選取,荷載采用水土分算；

②圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻及中間樁柱底部固結(jié)；

③根據(jù)不同土層的水平基床系數(shù)將基坑內(nèi)外的土體采用拉壓彈簧作用到圍護(hù)結(jié)構(gòu)上；

④本計算僅模擬基坑開挖至坑底的施工過程,后續(xù)結(jié)構(gòu)施工另行計算模擬。

(2)過程模擬

計算采用MIDAS-GEN大型有限元軟件,對基坑開挖過程進(jìn)行三維分步模擬。計算中采用分步來模擬施工過程,每一個分步是指一個相對完整的施工階段。

圖2 基坑開挖過程示意(單位：mm)

根據(jù)基坑實際開挖情況(圖2),計算中共分為14個施工階段,具體如下。

階段1：地連墻已施做完畢,挖土至第1道混凝土支撐底部(A點)；

階段2：施做第1道混凝土支撐；

階段3：開挖到第2道混凝土支撐底部(B點)；

階段4：施做第2道混凝土支撐；

階段5：挖土至1級基坑坑底(C點)；

階段6：施做地下1層底板及第一道鋼支撐；

階段7：挖土至第2道鋼支撐下0.5 m(D點)；

階段8：施做第2道鋼支撐；

階段9：挖土至第3道鋼支撐下0.5 m(E點)；

階段10：施做第3道鋼支撐；

階段11：挖土至第4道鋼支撐下0.5 m(F點)；

階段12：施做第4道鋼支撐；

階段13：挖土至基坑底(G點)；

階段14：施做地下3層底板,并拆除第4道鋼支撐。

(3)計算模型(圖3)

5 計算結(jié)果及分析(圖4～圖8)

(1)計算結(jié)果

圖3 整體計算模型

圖4 1.2 m T形幅地連墻背土側(cè)豎向彎矩云圖

圖5 2級基坑1.2 m厚地連墻背土側(cè)豎向彎矩云圖

圖6 1級基坑1.0 m地連墻背土側(cè)豎向彎矩云圖

圖7 第1道支撐主桁架軸力圖

圖8 第2道支撐主桁架軸力圖

(2)結(jié)果分析

從以上的計算中可以看出：由于基坑外形不規(guī)則,基坑的各個拐角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,是基坑安全的薄弱環(huán)節(jié)；基坑深度不等,2級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻墻頂位于1級基坑底部,1、2級基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受不同的基坑外水土側(cè)壓力,壓力不等將造成1級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大,通過三維計算,提高1級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的自身剛度,采用1.2 m厚的T形地下連續(xù)墻 ,增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身抗基坑外水土側(cè)壓力的能力,1級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩4 155.7 kN·m/m,最小彎矩-3 237·7 kN·m/m；2級基坑坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚的“一”字形地下連續(xù)墻,最大彎矩1 358.1 kN·m/m,最小彎矩-2 557·5 kN·m/m,經(jīng)檢算所選取圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足受力要求；采用2道鋼筋混凝土支撐作為1級基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu),能夠解決基坑外形不規(guī)則帶來的支撐架設(shè)困的的不利因素,支撐剛度大,安全性高,整體性好,第1道支撐主桁架斷面尺寸為0.8 m×0.8 m、環(huán)梁斷面尺寸1.0 m×1.4 m,支撐軸力分別為3 935、10 623 kN(水平彎矩1 415 kN·m/m)；第2道支撐主桁架斷面尺寸為1.2 m×1.2 m、環(huán)梁斷面尺寸1.2 m×1.4 m,支撐軸力分別為9 794、8829 kN(水平彎矩2 188 kN·m/m)；經(jīng)檢算所選取支撐結(jié)構(gòu)滿足受力要求。經(jīng)與施工過程實測數(shù)據(jù)比較,采用MIDAS-GEN三維有限元方法模擬外形不規(guī)則、深度不等基坑的施工全過程,計算結(jié)果能有效反映開挖過程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化。

6 結(jié)論

通過對不規(guī)則基坑施工全過程進(jìn)行三維有限元模

擬計算,得出不同施工階段地下連續(xù)墻及支撐的內(nèi)力變化,并依據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計,能更真實得反映地下連續(xù)墻及支撐的受力狀態(tài),為設(shè)計提供了理論依據(jù),也為設(shè)計能正確指導(dǎo)施工提供了有利保證,增加了不規(guī)則基坑施工的安全保證[9]。

目前,本車站的主體施工已經(jīng)完成,實測的內(nèi)力數(shù)據(jù)也表明,利用有限元MIDAS-GEN對基坑開挖過程進(jìn)行三維分步模擬,各施工階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與工程施工過程實測結(jié)果是基本吻合的。三維有限元計算能夠滿足外形不規(guī)則、基坑深度不等的復(fù)雜車站基坑工程計算要求[10],結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理。

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