某地鐵車站不規則基坑的三維有限元分析

曾祥會

(天津濱海新區建設投資集團有限公司，天津 300450)

1 概述

隨著城市化的發展,地鐵的興建已經成為解決由城市發展帶來的交通問題的最有效途徑,地鐵的建設也將極大帶動沿線周邊區域的發展[1]。目前地鐵車站結合周邊商業開發共同建設的模式越來越成為城市發展的主流,結合地塊設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壓力無法準確模擬,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結構及支撐的內力變化,利用計算結果指導設計施工[3，4]。

本文就是基于以上原因,在地鐵車站的設計過程中,采用結構設計有限元分析軟件MIDAS/GEN按照分步開挖的施工過程進行模擬計算,分析對于外形不規則、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結構及支撐的內力變化,從而指導設計、施工。

2 工程概況

本工程為天津地鐵3號線解放橋站,位于城市商業中心,車站結合地塊開發進行設計；站址附近保護性建筑物較多,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,結合地塊開發設置部分綜合服務區,地下2、3層為車站設備層、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、盾構井處基坑深31.45 m；采用明挖法施工,圍護結構為地下連續墻,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

本站站址范圍內地層軟弱,主要為第四系全新統人工填土層(人工堆積Qml)、新近沉積層(第四系全新統新近組故河道、洼淀沖積Q43Nal)、第Ⅰ海相層(第四系全新統中組淺海相沉積Q42m)、第Ⅱ陸相層(第四系全新統下組沼澤相沉積Q41h及河床～河漫灘相沉積Q41al)、第Ⅲ陸相層(第四系上更新統五組河床～河漫灘相沉積Q3eal)、第Ⅱ海相層(第四系上更新統四組濱海～潮汐帶相沉積Q3dmc)、第Ⅳ陸相層(第四系上更新統三組河床～河漫灘相沉積Q3cal)、第Ⅲ海相層(第四系上更新統二組淺海～濱海相沉積Q3bm)、第Ⅴ陸相層(第四系上更新統一組河床～河漫灘相沉積Q3aal)、第Ⅳ海相層(第四系中更新統上組濱海三角洲相沉積Q23mc)。

站址范圍內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構,主體采用鋼筋混凝土結構,根據地層軟弱及鋼筋混凝土結構彈性可恢復的特點,可考慮將水土壓力形成的荷載直接作用到圍護結構上,按荷載結構模型進行計算,也可根據土的試驗實測參數,取結構外側一定范圍的土體,按地層結構模型進行計算[5-6]。

荷載結構模型是結構被動的承受基坑外部土體帶來的荷載,結構內力按結構力學方法計算,基坑外部土體的彈性抗力是結構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]。

地層結構模型是地層與結構共同構成承載體系,荷載來自地層的初始應力和施工引起的應力釋放；結構內力與地層重分布應力一起按連續介質力學方法計算,地層與結構的相互作用以變形協調條件來體現[8]。

經綜合分析考慮,荷載結構模型較地層結構模型能更好的反應結構受力狀態,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構模型進行分析模擬。

4 有限元計算過程模擬

(1)計算邊界條件

①依據地區工程經驗假定各結構的界面尺寸,材料按實際設計參數選取,荷載采用水土分算；

②圍護結構地下連續墻及中間樁柱底部固結；

③根據不同土層的水平基床系數將基坑內外的土體采用拉壓彈簧作用到圍護結構上；

④本計算僅模擬基坑開挖至坑底的施工過程,后續結構施工另行計算模擬。

(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 計算結果及分析(圖4～圖8)

(1)計算結果

圖3 整體計算模型

圖4 1.2 m T形幅地連墻背土側豎向彎矩云圖

圖5 2級基坑1.2 m厚地連墻背土側豎向彎矩云圖

圖6 1級基坑1.0 m地連墻背土側豎向彎矩云圖

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)結果分析

從以上的計算中可以看出：由于基坑外形不規則,基坑的各個拐角處容易產生應力集中,是基坑安全的薄弱環節；基坑深度不等,2級基坑圍護結構地下連續墻墻頂位于1級基坑底部,1、2級基坑兩側圍護結構承受不同的基坑外水土側壓力,壓力不等將造成1級基坑圍護結構變形過大,通過三維計算,提高1級基坑圍護結構的自身剛度,采用1.2 m厚的T形地下連續墻 ,增加圍護結構本身抗基坑外水土側壓力的能力,1級基坑圍護結構最大彎矩4 155.7 kN·m/m,最小彎矩-3 237·7 kN·m/m；2級基坑坑圍護結構采用1.2 m厚的“一”字形地下連續墻,最大彎矩1 358.1 kN·m/m,最小彎矩-2 557·5 kN·m/m,經檢算所選取圍護結構滿足受力要求；采用2道鋼筋混凝土支撐作為1級基坑的支護結構,能夠解決基坑外形不規則帶來的支撐架設困的的不利因素,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)；經檢算所選取支撐結構滿足受力要求。經與施工過程實測數據比較,采用MIDAS-GEN三維有限元方法模擬外形不規則、深度不等基坑的施工全過程,計算結果能有效反映開挖過程中的圍護結構內力變化。

6 結論

通過對不規則基坑施工全過程進行三維有限元模

擬計算,得出不同施工階段地下連續墻及支撐的內力變化,并依據計算結果進行支護結構設計,能更真實得反映地下連續墻及支撐的受力狀態,為設計提供了理論依據,也為設計能正確指導施工提供了有利保證,增加了不規則基坑施工的安全保證[9]。

目前,本車站的主體施工已經完成,實測的內力數據也表明,利用有限元MIDAS-GEN對基坑開挖過程進行三維分步模擬,各施工階段圍護結構的內力與工程施工過程實測結果是基本吻合的。三維有限元計算能夠滿足外形不規則、基坑深度不等的復雜車站基坑工程計算要求[10],結構經濟合理。

[1] 施仲衡.地下鐵道設計與施工[M].西安:陜西科學技術出版社,1997.

[2] 劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1997.

[3] 夏明耀,曾進倫.地下工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1999.

[4] 趙志縉,應惠清.簡明深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2000.

[5] 唐 勇.“荷載增量法”在地下車站結構計算中的運用[J].四川建材,2005(2):42.

[6] 張炳根.軟弱地層深基坑地基加固措施對比分析研究[J].鐵道工程學報,2006(3).

[7] 黃 珂,林 蓼.地鐵十字換乘車站預留換乘節點的結構計算分析[J].都市快軌交通,2008(3):28.

[8] 李興高,張 彌.地鐵車站結構內力計算中的問題[J].都市快軌交通,2005,18(4).

[9] 李 剛.地鐵車站深基坑地下連續墻變形特征分析[J].鐵道標準設計,2008(6):100-103.

[10] 丁春林.含結構節點的地鐵車站空間受力分析[J].地下空間,2003,23(3).