地鐵車站深基坑開挖數值模擬建模分析研究

摘要：簡述了某地鐵車站深基坑開挖工程概況，采取深基坑開挖過程中的實際效果與數值模擬結果相對比的方法，闡述了數據采集與施工準備、數值模擬建模、賦予多層級邊界條件、網格劃分和初始應力數值計算，以及深基坑水平位移實時監測和模型優化等整個施工和建模過程，將最終數值模擬數據與現場監測數據進行對比，得出本文設計的數值模擬方法的針對性與穩定性更高，模擬的數值更加貼近實際數值。

關鍵詞：地鐵車站；深基坑開挖；數值模擬；數據采集；模型優化

0" "引言

深基坑開挖過程中往往會出現地面沉降、基坑變形、支護結構失效等不可預見的問題，這些問題都會對地鐵車站的施工和運營安全造成嚴重影響。數值模擬分析作為一種有效的研究手段，能夠模擬實際工程中的復雜情況，可對深基坑開挖過程中的各種問題進行預測和分析，對不同的開挖方案、支護結構、施工工藝等進行比較和優化，從而為實際工程提供科學依據[1-2]。

傳統的數值模擬方式多為區域堆疊模擬，模擬的范圍受到限制，再加上外部環境與特定因素的影響，導致最終得出的模擬結果誤差較大[3]。基于此，本文進行地鐵車站深基坑開挖數值模擬分析研究和實踐驗證，以期能夠準確預測地鐵車站深基坑可能出現的風險和問題，為安全施工提供有力保障。

1" "工程概況

某地鐵車站工程采用明挖順作法施工，車站主體基坑選用地連墻+水平內支撐支護體系，主體采用0.8m～1.2m厚的地下連續墻，基坑地連墻通過設置壓頂梁參與抗浮以滿足結構抗浮要求。車站墻頂設置鋼筋混凝土冠梁，斷面尺寸為1200mm×1000mm，標準段基坑釆用1000mm厚地連墻，為1道混凝土支撐+4道鋼支撐。端頭井基坑釆用1000mm厚地連墻，為1道混凝土支撐+4道鋼支撐。臨時棧橋板段設置臨時鋼立柱及立柱樁。換乘段基坑釆用1200mm厚地連墻，1道混凝土支撐+6道鋼支撐十1道鋼支撐換撐。

在當前的挖掘整體上，每一個支撐點位還設定了對應的間隔，基坑端部4個角增加斜支撐。這樣的布置形式雖然可以實現預期的施工效果，但是各個環節的處理關聯度不高、針對性較小，造成施工現狀并未達到預期的標準，導致施工狀態堪憂。

2" "深基坑開挖與數值模擬分析研究

2.1" "數據采集與施工準備

2.1.1" "地質勘察與數據采集

對施工場地進行詳細的勘察，了解地質結構、土層分布以及地下水情況，為后續開挖施工提供準確的地質數據。依據勘察結果，對深基坑的數值模擬點位及邊緣做出標定，利用專業設備進行數據和信息的采集，匯總之后待用。

2.1.2" "施工計劃與場地布置

在地質勘察的基礎上制定施工計劃，明確開挖順序、支撐結構以及排水措施等。同時合理選擇施工機械，確保其適應深基坑施工需要，并能發揮施工效率。在施工場地布置方面，確保施工道路暢通無阻，材料堆放區整潔有序，臨時設施合理布局。這樣的布置有助于提升施工效率，減少不必要的浪費，使得施工現場秩序井然。

2.1.3" "安全管理與責任落實

施工現場的安全管理也是不容忽視的一環，建立健全施工現場安全管理規章制度，落實安全管理崗位責任制。施工前進行安全技術交底，把施工安全責任落實到人。在施工現場設置必要的安全標語和安全警示牌，安全管理人員加強現場安全巡視，確保施工人員的安全。通過加強安全管理，可以降低安全事故發生概率，保障施工順利進行。

2.2" "數值模擬建模

2.2.1" "設定基本假設與模型

隨著深基坑開挖進度、結合預設的施工條件和需求，采用ABAQUS（通用非線性有限元仿真分析軟件）中的有限元軟件，對地鐵車站深基坑的開挖過程進行數值模擬建模。首先構建基礎性的開挖結構，設定基本假設，包括將土層視為各向同性、均質的彈塑性體，確保數值模擬強度與Mohr-Coulomb（摩爾-庫倫土體抗剪強度理論）相符合。此外，彈性體還需要設定對應的固結和固結沉積，以降低模型使用的復雜性[4-5]。

2.2.2" "數據導入與模擬

將深基坑勘察過程中采集的數據，分類導入當前建立的模型程序中。結合此時復雜的地質條件，模擬出開挖過程中土體的應力變化、位移以及支撐結構的受力情況。這些模擬結果將為后續的施工方案優化提供重要依據。深基坑模擬建模應用數值如表1所示。

2.2.3" "數值模擬建模流程

結合采集到的深基坑數據，依據挖掘方向和挖掘要求，建立對應的模型。深基坑開挖數值模擬建模流程如圖1所示。在建模時需通過運行數值模型，得到開挖過程中土體的位移、應力分布以及支撐結構在不同周期之內的受力變化情況等信息。這有助于評估施工方案的合理性，預測可能出現的問題，并提出相應的優化措施，實現該模型綜合能力的強化，提升模擬結果的收斂性和準確性。

2.3" "賦予多層級邊界條件

2.3.1" "地質勘察資料分析

在設置多層級邊界條件時，首先需要充分考慮地質勘察資料，包括深基坑位置的土層分布、力學性質以及地下水情況等關鍵信息。這些信息對于準確劃分模型邊界層級、設定各層級的力學特性和約束條件至關重要。

2.3.2" "邊界層級劃分與力學特性設定

基于地質勘察資料，將模型邊界劃分為多個層級。每個層級代表不同的土層或地質條件，具有不同的力學特性和約束條件。這樣可以更準確地模擬深基坑實際地質情況，提高模擬結果的準確性。

2.3.3" "邊界荷載值的計算

按照深基坑施工方案和開挖順序，逐步賦予不同層級的邊界條件。首先，計算深基坑基礎的邊界荷載值。邊界荷載值的準確計算對于后續深基坑支撐效果的精細化調整和優化至關重要。邊界荷載值的計算公式如下：

式中：C代表邊界荷載值，β代表約束位移，b代表約束點位，l代表可修正誤差[6]。

2.3.4" "支撐效果與能力優化

結合得出的邊界荷載值，對設計的支撐效果以及能力進行精細化調整和優化，包括深基坑支撐結構的尺寸、位置、材料選擇等方面。通過調整支撐參數，可以更好地控制土體的位移和應力分布，確保施工過程的穩定性。

2.3.5" "計算效率與收斂性權衡

多層級邊界條件的設置還需要考慮模型的計算效率和收斂性。過多的層級和復雜的邊界條件可能導致計算量驟增，甚至影響模擬結果的收斂性。因此在建模過程中，需要權衡計算效率和模擬精度，選擇適當的層級數量和邊界條件。針對多層級的模擬情況，計算出應力模擬均衡值。應力模擬均衡值計算公式如下：

式中：N代表應力模擬均衡值， 代表邊界差，O代表挖掘點位，W代表模擬閾值，H代表重復區域。

將應力模擬均衡值設定為約束條件，通過賦予多層級邊界條件，更全面地了解深基坑開挖過程中土體的應力分布、位移情況以及支撐結構的受力狀態。

2.4" "網格劃分和初始應力數值計算

2.4.1" "網格劃分策略

網格劃分是數值模擬的基礎。合理的網格劃分能夠準確反映土體的幾何形狀和力學特性，提高模擬結果的精度。地鐵車站深基坑開挖模擬中，由于涉及到復雜的土層分布和開挖過程，網格劃分需要特別精細。通常需要先采用結構化網格或非結構化網格，根據土層的不同特性和開挖步驟的變化，對網格進行局部加密或優化。這樣既能保證計算精度，又能提高計算效率。

2.4.2" "初始應力數值計算與設定

在深基坑工程中，土體在開挖前已經受到了一定的自重應力和其他外部荷載的作用，這些初始應力對開挖過程中的土體變形和支撐結構會形成對應的影響。根據地質勘察資料和工程實際情況，合理計算土體初始場的應力值。初始場應力值的計算公式如下：

式中：J代表初始場應力值，m代表土體均勻受力值，η代表單元網格定值，s代表支撐點，r代表均勻荷載值。

2.4.3" "初始應力分布與后續模擬

根據當前設定，結合初始場應力值，對深基坑土體進行初始應力分布，為后續的開挖模擬提供準確的初始條件。通過模擬開挖過程中的土體變形、應力變化以及支撐結構的受力情況，評估施工方案的合理性，預測可能出現的問題，確保地鐵車站施工的安全和順利。

2.5" "深基坑水平位移實時監測和模型優化

地鐵車站深基坑開挖數值模擬的水平位移實時監測，需要借助全站儀、GPS定位裝置。先采集基坑周邊土體的水平位移數據，將實時監測的水平位移數據與模型預測值進行對比，分析深基坑開挖過程中土體的變形規律和支撐結構的受力狀態。通過實時監測的數據，總結出土體的位移趨勢、速度以及支撐結構的變形情況，預測可能出現的風險。通過不斷優化的模型，驗證數值模擬處理的準確性、優化模型參數、預測施工風險，可為實際施工提供有力的技術支持。

3" "施工效果測試與數據分析

3.1" "測試準備

結合上述的設定和施工情況，采集施工過程中的數據以及信息，進行數值模擬結果的對比分析。根據該地鐵車站的工程概況，利用ANSYS數值模擬軟件建立三維數值模型。該模型包含車站主體結構、地下連續墻、支撐結構、樁柱以及地質層等。根據地質勘察報告，設定各土層的物理力學參數。根據車站設計資料，設定結構材料參數。

按照實際施工順序，逐步模擬深基坑的開挖過程。每一步開挖后，應計算模型的應力、應變和位移等響應，并觀察支護結構的變形和受力情況。同時，模擬混凝土支撐架和鋼支撐結構的安裝過程，分析其對深基坑穩定性的影響。基于此，在深基坑周邊、支護結構關鍵部位設置關鍵監測點，提取這些監測點的位移、應力等數據，用于分析深基坑的穩定性。

3.2" "數據分析

將數值模擬數據與現場監測的實際數據進行對比，其結果如圖2所示。

由圖2可知，在設定的施工區域內隨機選取多個監測點的實際數據進行分析，并將最終實際值與模擬值進行對比，發現其數值較為接近，這說明本文設計的數值模擬方法的針對性與穩定性更高，模擬的數值更加貼近實際數值，具有實際應用價值。

4" "結束語

本文緊密結合行業標準和地鐵車站的實際工程需求，對其深基坑開挖過程進行了全面深入的數值模擬分析，設計了靈活多變、高度適應性的數值模擬結構。通過理論知識的深度運用與實踐技術的多維融合，成功模擬了地鐵車站深基坑開挖過程。這項研究成果不僅為地鐵車站的后續工程施工提供了堅實的理論依據，也為實際施工提供了重要的參考依據。

參考文獻

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[4]" 鄒傳仁，付鵬，項錦濤，等.深基坑開挖對鄰近地鐵車站的變形影響和隔離樁控制效果分析[J].建筑結構，2023，53（S1）：2809-2814.

[5]" 周超，丁春林，李桂穎，等.高架橋橋基與地下車站深基坑近距離施工相互影響分析[J].華東交通大學學報，2023，40（3）：10-16.

[6]""""" 王松，李柏青，黃明利.承壓水地層深基坑開挖引起既有地鐵車站上浮控制技術研究[J].市政技術，2023，41（4）：124-131.