基于PLAXIS的地鐵車站深基坑開挖的數值模擬研究

王觀林

基于PLAXIS的地鐵車站深基坑開挖的數值模擬研究

王觀林

本文運用巖土工程二維有限元軟件 PLAXIS 進行雪象北站地鐵車站深基坑模擬分析，研究不同工況下基坑土體及兩側支護結構的變形及內力，分析其穩定性，為明挖法超深基坑的圍護結構設計提供了一定的工程經驗。

一、本構模型

1.Plaxis 軟件介紹

PLAXIS最初是由荷蘭代爾夫特技術大學研制的功能強大的通用巖土有限元計算軟件，它可應用于各種復雜巖土工程項目的有限元分析中，用戶可以根據實際情況定義計算過程，輸出陰影圖、矢量圖、結構物的變形及內力圖等計算結果，便于直觀地了解計算問題的應力、應變、位移、安全系數等。PLAXIS軟件提供兩種節點單元，包括15節點單元和6節點單元。15節點單元質量高，計算精度高，對于復雜問題計算更符合實際，而6節點單元要比15節點單元節省時間，模擬簡單的問題可采用6節點單元。

2.Hardening—Soil（HS）模型

Potts指出，采用應變硬化模型來模擬基坑開挖問題能較好地預測基坑變形的情況。本文擬采用此模型對雪象北站地鐵深基坑工程進行模擬分析。

HS硬化土模型的屈服面在主應力空間中是不固定的，由于塑性應變的發生而膨脹，可以模擬包括硬土和軟土兩種不同類型土體。它使用的是塑性理論，并且考慮了土體的剪脹性，引入了一個屈服帽蓋，采用摩爾－庫倫破壞準則。同時，它可以考慮初次加載、卸載、再加載時土體模量的不同。相對于摩爾庫倫模型更能真實的模擬基坑開挖過程。

二、工程概況

1.基本資料

雪象北站是深圳市城市軌道交通10號線工程的第十六座車站，本車站為明挖地下三層島式雙停車線車站，標準段為單柱雙跨結構，附屬采用單層外掛。車站有效站臺中心里程Y（Z）DK18+612.60，長度約598m；車站標準段線間距14.7m，標準段寬度20.9m，車站有效站臺長度186m。車站西端設置礦山法出土孔，東端設置盾構始發井。

車站主體圍護結構采用1000mm厚地下連續墻+內支撐的形式。鋼筋混凝土支撐梁截面尺寸為0.8m×1m，內支撐采用豎向4層+1層換撐。基坑設置第3道內支撐為=800mm，t=20mm的鋼管支撐，其余支撐均采用=600mm，t=16mm鋼管支撐，標準段部分第2、3道撐采用鋼筋砼支撐；西段擴大段及東端盾構井段各層支撐軸力較大均，采用鋼筋砼支撐，第5層支撐（倒撐）采用=600mm，t=16mm鋼管撐。其中支撐采用C30混凝土，地連墻采用C35混凝土，鋼管撐采用Q235鋼。

2.地質條件

根據初步地質勘察成果，地層主要由第四系全新統人工堆積層（Q4ml）、第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl），第四系上更新統坡積層（Q3dl），殘積層、燕山期花崗巖。根據工程地質勘察報告及有關資料，將標準段覆蓋土層簡化為以下6層：第①層為素填土，層厚4.5m;第；②層為礫質黏土,層厚3.6m；第③層為塊狀強風化花崗巖，層厚1m；第④層為全風化花崗巖，層厚6m；第⑤層為砂土狀強風化花崗巖，層厚11.2m；第⑥層為微風化花崗巖，層厚30m。

三、數值模擬分析模型的建立

由于雪象北站地鐵基坑開挖狹長，本次數值模擬選取基坑標準段進行分析。車站深基坑建設一倍于開挖深度影響范圍比較明顯，所以一般土體的計算深度取基坑開挖深度的3倍，計算寬度自開挖邊界向外取開挖深度的2倍，由此建立的二維模型取寬度為190m，深度60m，模擬的基坑寬度為23m，深度為26.6m，地連墻深度為35.5m，地面超載按20KN/m2考慮。

1.計算模型

計算采用15節點單元模擬土體，設置為軸對稱平面變形問題，用板單元進行模擬地連墻，點對點的錨桿單元模擬內支撐，基坑安全等級為一級，為得到理想的計算結果，將網格劃分精度選擇很細程度。根據該基坑的特點，對位移邊界條件假定為：模型的左、右邊界水平方向位移為零；豎直方向允許發生變形；下邊界任意方向的變形為零。

2.計算工況

根據施工方案設置模型開挖的工況分為6個施工階段：

（1）添加荷載與施工地連墻。

（2）開挖第一層土體1.7m厚至第1道支撐底位置，施工鋼筋混凝土支撐。

（3）待第 1道支撐強度達到要求強度后開挖第一、二層土體7.25m至第2道支撐底位置，澆筑第2道鋼筋混凝土支撐。

（4）開挖第三、四、五層土體8.5m厚至第3道支撐底位置，澆筑第3道混凝土支撐。

（5）開挖第五、六層土體4.8m厚至第4道支撐底位置，澆筑第4道混凝土支撐。

（6）開挖第六層土體4.9m厚至基坑底部，澆筑混凝土底部并施工部分側墻，拆除第4道撐，施工第5道倒撐。

對上述工況進行計算可以得到在開挖深度不同的情況下，基坑兩側支護結構的水平位移和內力以、支撐軸力及土體豎直位移的變化情況。

四、數值模擬結果分析

該地鐵車站基坑在開挖過程中的變形主要集中在基坑開挖一倍的范圍內，主要是基坑周圍土體產生沉降，基坑底部由于應力釋放產生隆起，兩側產生相基坑內部的水平位移，總體位移為13.68mm，約為基坑開挖的0.051%，根據本地鐵車站基 坑開挖的監測方案，地表變形和墻頂水平位移控制值為0.3%h或30mm的較小值，墻體水和土體測變形控制值為0.25或30mm的較小值，變形在控制范圍內，基本符合基坑開挖變形的規律。

1.水平位移特征

從圖1中可以看出，在各個工況下，地下連續墻的最大變形隨開挖深度的增加而增加，開挖至基坑底部時，地下連續墻的變形達到最大值20.83mm，約為基坑開挖深度的0.078%，變形量在可控范圍內。第一步開挖后，地下連續墻最大位移在8mm左右，第二步開挖后，地連墻的最大變形值增大至9.74mm，最大值點下移。后幾步開挖最大值點均在第三道支撐處附近，約17mm，下移趨勢不明顯，但是最大水平位移增大。

圖1 各工況下地下連續墻水平位移

2.豎直位移分析

圖2為雪象北站地鐵基坑開挖完成后，豎直位移的陰影圖，表1為個工況下土體的最大豎向位移。根據圖表可得：

（1）土體原有的應力平衡不斷打破并重分布并不斷達到新的動態平衡，繼而產生不均勻沉降。

（2）由于圍護墻和內支撐的作用，在坑壁產生的沉降并非最大值。其呈現的趨勢為：距坑壁的距離越遠，基坑的豎向位移是先不斷增加，最大值位于坑壁外約18.5米處。之后，離坑壁的距離繼續增加，周邊環境沉降變形逐漸減小，最后一步拆撐后沉降又增加。圍護墻外側土體沉降較小，且在水平方向上，距離坑壁90m處仍有沉降發生，驗證了在基坑開挖深度約2～3倍處仍受到影響。

圖2 基坑開挖完成后土體豎向位移云圖

（3）坑內土體出現明顯的回彈現象，中部隆起最大達到16.03mm。基坑內部土體回彈是由于土體的分層開挖導致基坑內土體不斷的卸荷，同時坑外土體對墻體不斷施加土壓力，并不斷向坑內發生塑性位移引起的。

（4）土體的最大沉降不斷增大，隨著基坑開挖的深度增加，沉降不斷積累達到最大值12.96mm，坑底隆起量在開挖第二階段后迅速增大，隨后隆起量增大不明顯甚至減小，這是由于鋼支撐和圍護墻，并且基坑中下部均是力學性質較好的花崗巖所致。沉降量、隆起量最大值約為基坑開挖深度的0.048%、0.060%，變形在基坑設計要求范圍內。

各工況下最大數值位移表

3.內支撐軸力分析

根據統計數據可知，每一道支撐在施工完成后，在下一步開挖完以后，軸力增大兩倍左右，隨著基坑的繼續開挖慢慢增大。但是第一道支撐軸力在第二開挖后，軸力緩慢減小，這是由于后幾道支撐的完成，第一道支撐不再是主要受力構件，承受的軸力較小。開挖第五步至基坑底部，第五道支撐承受軸力最大，達到1459KN/m，符合基坑設計要求。

五、結論

通過PLAXIS模擬雪象北站地鐵站深基坑開挖的過程研究，得出以下結論：

（1）PLAXIS能夠很好地對基坑分步開挖和支護進行模擬，而且它自帶的HS強化土模型能真實反映基坑開挖過程中的土體和支護結構的變形、內力變化情況。

（2）隨著基坑開挖至坑底，地連墻的最大位移增加，且出現在開挖深度17m左右，變形呈現中間大兩邊小的趨勢。

（3）基坑墻后土體沉降最大值出現在距離坑壁18.5m，且隨著開挖深度的增大而增加，各工況下最大的隆起值均出現在坑底中部。

（4）支撐軸力隨著開挖深度的增加而增大，第五道支撐承受的支撐軸力最大。隨著支撐的增設，第一道支撐承受的軸力減小。

（5）本文的計算結果均符合基坑設計要求，可以為該基坑工程提供監測方案的設計依據，減少施工過程中的危險性，同時也為其他類似工程設計提供一定的指導和有益的參考。

（作者單位：中鐵十六局集團有限公司）