在建城際鐵路基坑開挖過程數(shù)值模擬研究

蔡明生，戚雙星，羅錦濤

（1、廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 廣州 510245；2、中化學(xué)南方建設(shè)投資有限公司 廣州 510308；3、中化學(xué)南方建投（江西）有限公司 江西贛州 341499；4、北京市華遠(yuǎn)集團(tuán)有限公司 北京 100044）

隨著城市的快速發(fā)展，越來越多的城市間開始修建城際鐵路。但近年來關(guān)于城市軌道交通建設(shè)發(fā)生的基坑問題屢見不鮮，已經(jīng)成為了軌道交通施工中事故發(fā)生的重災(zāi)區(qū)［1-2］?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，在開展建筑物基坑土方開挖施工過程中，不可避免地會(huì)造成周圍基坑內(nèi)土體變形，一旦坑內(nèi)土體發(fā)生過度隆起，可能會(huì)對(duì)基坑周邊既有防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，嚴(yán)重威脅基坑的正常施工［3-4］。

基坑工程施工研究表明，開挖會(huì)改變既有土體的受力狀態(tài)，從而對(duì)施工過程產(chǎn)生不利影響，如坑內(nèi)土體隆起，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力下降、甚至破壞，變形過大侵入限界等［5-9］。綜上所述，新建基坑等地下工程開挖，會(huì)造成原支護(hù)結(jié)構(gòu)物的初始應(yīng)力場(chǎng)不斷發(fā)生變化，經(jīng)過多次分層施工，將會(huì)多次發(fā)生非對(duì)稱的擾動(dòng)，支護(hù)結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出極大的變異性［10-12］。因此，基于上述研究背景，本文采用MIDAS/GTS 有限元軟件，建立城際鐵路某車站基坑模型，分析開挖過程對(duì)基坑土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，研究成果可指導(dǎo)同類工程實(shí)踐。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某城際車站位于深圳市，車站西側(cè)為既有地鐵4 號(hào)線（龍勝站～龍華站）高架區(qū)間，東北側(cè)為空地，西南側(cè)為住宅區(qū)，南側(cè)為既有地鐵6 號(hào)線（元芬站～上芬站）高架區(qū)間。該車站共設(shè)4 個(gè)出入口、1 個(gè)安全疏散口，3 組地面風(fēng)亭組，1 個(gè)4 號(hào)線換乘通道。車站為地下兩層明挖站。車站主體長(zhǎng)283.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬23.7 m，基坑深22.00～32.45 m，覆土厚度2.3～4.5 m。主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻/咬合樁+內(nèi)支撐支護(hù)體系。

經(jīng)收集調(diào)查《深圳市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃（2016-2035）》資料核實(shí)，車站西側(cè)為既有地鐵4號(hào)線（龍勝站～龍華站）高架區(qū)間，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)約30 m（摩擦樁），距離車站最小約16.56 m；車站南側(cè)為既有地鐵6 號(hào)線（元芬站～上芬站）高架區(qū)間，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)約39.95～76.45 m（端承樁），距離車站最小約1.7 m，均在基坑0.7H影響范圍以內(nèi)。

1.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

工程建設(shè)場(chǎng)地原始地貌為沖洪積平原，地形較為平坦，地面高程約70.80～79.49 m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，區(qū)內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)全新世沉積層為斷裂切割現(xiàn)象及斷裂活動(dòng)形成的構(gòu)造地貌，構(gòu)造基本穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生突發(fā)性構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本工程場(chǎng)地區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)查及勘探鉆孔揭露，場(chǎng)地地層巖性從地表到基坑開挖深度范圍內(nèi)依次為：素填土、砂質(zhì)黏性土、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中等風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖。

2 數(shù)值分析

2.1 模型建立

該城際車站主體基坑采用明挖法施。利用MIDAS/GTS 有限元軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析，為消除邊界效應(yīng)，土體長(zhǎng)度取基坑長(zhǎng)度的3倍，模型X向長(zhǎng)度取520 m，Y向長(zhǎng)度取230 m，Z向長(zhǎng)度取100 m。土體、橋面、橋墩、連梁、承臺(tái)采用實(shí)體單元，土體采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，結(jié)構(gòu)采用彈性本構(gòu)模型；圍護(hù)結(jié)構(gòu)、樓板以及側(cè)墻等采用板單元；支撐、梁、柱、軌道等采用梁?jiǎn)卧粯恫捎弥踩胧搅簡(jiǎn)卧?；共?jì)27 217 個(gè)節(jié)點(diǎn)，152 435 個(gè)單元。根據(jù)《深圳至大亞灣城際鐵路工程定測(cè)工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的巖土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)建議值，結(jié)合工程實(shí)際情況及與其他工程類比，對(duì)計(jì)算中所用到巖土體進(jìn)行取值，得到的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算有限元模型Fig.1 Calculation of Finite Element Models

2.2 模型材料參數(shù)選取

根據(jù)《深圳至大亞灣城際鐵路工程定測(cè)工程地質(zhì)勘察報(bào)告》提供的巖土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)建議值，結(jié)合工程實(shí)際情況及與其他工程類比，對(duì)計(jì)算中所用到的巖土體進(jìn)行取值，如表1和表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structural Parameters

表2 土體參數(shù)Tab.2 Soil Parameters

2.3 模型材料參數(shù)選取

參照實(shí)際大型樞紐模型施工流程，擬建建筑物施工全過程工序如表3所示。

表3 施工過程工序模擬Tab.3 Construction Process Simulation

3 計(jì)算結(jié)果與分析

在有限元數(shù)值計(jì)算中，分別對(duì)每一層土開挖完的基坑進(jìn)行模擬，分析土體豎向位移以及基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響。采用Midas 軟件進(jìn)行建模，對(duì)基坑整體模型進(jìn)行參數(shù)賦值計(jì)算，得到的每層開挖過程中土體豎向位移云圖和每層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移云圖和水平位移云圖。

按照擬建建筑施工全過程工序模擬，進(jìn)行每層土的開挖模擬，對(duì)應(yīng)的基坑土位移云圖如圖2所示。圖2?開挖第1 層土土體最大隆起值3.69 mm，最大沉降值0.10 mm；由圖2?開挖第2層土土體最大隆起值3.99 mm，最大沉降值0.15 mm；由圖2?開挖第3 層土土體最大隆起值2.81 mm，最大沉降值0.18 mm；由圖2?開挖第4層土土體最大隆起值2.19 mm，最大沉降值0.21 mm。

圖2 開挖每層土土體豎向位移云圖Fig.2 Cloud of Vertical Displacement of Soil in Each Layer of Excavation

同理，進(jìn)行每層土的開挖模擬，分析基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖和水平位移云圖，分別如圖3、圖4 所示。基坑施工對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算得到豎向位移水平位移，由圖3?開挖第1 層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.08 mm；由圖3?開挖第2層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.12 mm；由圖3?開挖第3層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.13 mm；由圖3?開挖第4層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.12 mm。由圖4（a）開挖第1層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移0.53 mm；由圖4?開挖第2層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移0.64 mm；由圖4?開挖第3層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移0.59 mm；由圖4?開挖第4 層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移0.52 mm。

圖3 開挖每層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移云圖Fig.3 Vertical Displacement Clouds for Each Layer of the Excavated Soil Envelope

圖4 開挖每層土圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.4 Horizontal Displacement Clouds for Each Layer of the Excavated Soil Envelope

4 結(jié)論

本文以深圳某城際鐵路車站基坑為研究對(duì)象，利用MIDAS/GTS有限元軟件建立模型，數(shù)值模擬分層開挖過程中，研究每層開挖對(duì)基坑土體和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明：

⑴基坑開挖過程中，造成基坑周圍土體沉降，基坑內(nèi)底部土體隆起，基坑開挖至坑底，坑外土體最大沉降為0.21 mm，坑內(nèi)土體最大隆起為3.99 mm。

⑵基坑開挖至坑底，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大豎向位移0.13mm（臨近坑底隆起部分的圍護(hù)），最大水平位移為0.64 mm。