上海軌道交通異形超深基坑施工過程數值模擬分析

侯玉偉

(中鐵十三局集團有限公司華東工程指揮部,201601,上海∥高級工程師)

上海軌道交通異形超深基坑施工過程數值模擬分析

侯玉偉

(中鐵十三局集團有限公司華東工程指揮部,201601,上?！胃呒壒こ處?

利用FLAC3D有限差分法分析軟件,針對上海軌道交通某開挖深度為27 m的異形超深基坑建模計算;計算中考慮土、圍護結構、水平支撐體系共同作用,三維計算模擬分層開挖施工工況,并與平面二維計算進行比較;得出了該異形超深基坑的變形計算結果和變形控制要點。此類基坑使用二維計算軟件來模擬的計算誤差較大,而三維計算能充分考慮基坑的空間效應。該異形超深基坑不同于一般深基坑的變形特性,應充分考慮基坑異型帶來的薄弱點,在結構平面的變化點應重點加強。

異形基坑;超深基坑;模擬計算

Author's addressEast China Engineering Depatment of the 13th Engineering Bureau Group Co.,Ltd.,China Raillways,201601,Shanghai,China

近年來,隨著城市建設的發展,超深基坑的數量不斷增多。以國內為例,北京國家大劇院工程基礎埋深最深處為32.5 m,潤揚長江大橋北錨碇基坑平均開挖深度達到48 m,上海軌道交通董家渡修復工程開挖深度達到41 m,外環隧道浦西暗埋段基坑、世博變電站等基坑開挖深度都達到了30 m以上[1]。而軌道交通工程,除了常規的長條形超深基坑,換乘段等異形超深基坑也不斷涌現。

超深基坑由于開挖深度大,坑內外的水、土壓力差使基坑周圍土體產生較大的塑性區,將引起基坑變形的加速[2];尤其在開挖③、④層土時,其變形控制對基坑的整體變形有著重大的影響;而且,異型基坑的空間效應明顯,其變形特性較常規超深基坑更為復雜。

利用FLAC3D數值模擬程序對異形超深基坑的變形特性進行了三維模擬計算,并將結果與二維模擬數值計算的結果進行了對比分析,以期為研究異形超深基坑的一般規律奠定基礎。

1 模型的建立

1.1 工程概況

本有限元模型來源于上海軌道交通某盾構措施井。該盾構井非典型的長條形基坑,為異形超深基坑;地下三層單跨結構,基坑長度約為74.5 m,寬度約為9.2～18.5 m;基坑周長約為180 m,面積約1100 m2,開挖深度27 m,結構頂板覆土厚度約5 m,采用明挖順筑法施工。圍護結構采用地下連續墻,墻厚1.2 m,墻深49 m。南端采用8道支撐,北段采用9道支撐。其中第一道支撐為鋼筋混凝土支撐,并結合下一層、下二層板(板厚400 mm),其余均為鋼支撐。

1.2 工程地質情況

各土層物理力學指標見表1。

1.3 計算模型

該基坑屬于異形基坑,取全結構進行計算分析。計算模型的尺寸是建模時必須考慮的因素。當基坑邊緣到基坑邊界的距離較小時,所施加的邊界條件會對基坑的變形產生較大影響。而較大尺寸的模型會拖慢計算速度。

根據參考文獻[3-7]的成果,并綜合考慮三維計算模型的單元數量、計算速度和工程實際情況,模型短邊方向上的墻后距離均采用2倍的開挖深度,模型長邊方向上的墻后距離均采用3倍的開挖深度,在豎直方向上的距離采用約3倍的開挖深度。最終模型的尺寸為196 m×180 m×80 m(長×寬×高)。模型邊界兩側施加水平方向的約束,底部施加豎直方向的約束。計算模型圖和支撐體系布置圖如圖1、圖2。

表1 土層物理力學指標

1.4 施工工程的模擬

有限元模擬與實際工程相同,采用順筑法施工方案。在模型豎直方向上采取開挖一層土,施工一道撐(板)的工況。具體工況見表2。

圖1 數值計算模型圖

圖2 支撐體系布置圖

表2 計算模型開挖工況表

1.5 基本計算假定

(1)在計算中不設置土層水頭,不考慮土中的水壓力;

(2)不考慮滲流與基坑變形的耦合作用;

(3)假設模型中的土層為均質土層,將①1層、②1層土合并為①層土,最終土層模型剖面圖如圖3。

2 數值模擬計算結果及分析

數值模擬計算結果共分析了6個不同位置的斷面,分別為 1-1斷面、2-2斷面、3-3斷面、4-4斷面、5-5斷面、6-6斷面。斷面簡圖見圖4。

2.1 二維數值模擬結果與實測數據對比

圖5為采用某二維有限元模擬軟件在各工況下2-2斷面測斜計算結果。與實測數比較,兩者雖在變形形狀上基本一致,但在變形趨勢存在不同:二維數值模擬圍護墻體有撐部位在進一步開挖之后不再變形,而實測數據上部有撐部位存在一定向坑內發展的變形。這是因為二維數值模擬計算采用平面應變模型,適用于一般對稱的長條形基坑,而本文的異形基坑兩側圍護墻體受力并不均勻。因此,使用三維數值模擬較二維計算更符合實際情況。

圖4 模型斷面簡圖(單位:mm)

圖5 測斜二維數值計算變形結果

2.2 三維數值模擬結果與對比

圖6為基坑各個斷面的變形在所有工況下的三維計算結果。從圖中可知:1-1斷面測斜值較二維數值模擬結果更為接近實測數據,其有撐部位并不是隨著開挖的進行向坑內位移,反而發生負位移即向坑外移動。與之相應的2-2斷面有撐部位卻有較大的向坑內位移趨勢,如:第一道撐處1-1斷面的變形從15 mm降為5.6 mm,減少了9.4 mm;而2-2斷面的變形從11.2 mm增加為21.2 mm,增量為10 mm。

由于基坑平面的異型,支撐長短不一,其剛度各不相同;同根支撐和圍護墻交角不同,抵抗圍護變形的剛度貢獻也不一致,導致圍護墻體的受力和變形各不相同。在每個開挖工況的初始,該基坑圍護所受土壓并不均衡,圍護有向東位移的趨勢。通過土體-圍護墻-支撐體系共同作用,整個體系最終平衡。通過三維計算,能發現支撐平面布置的薄弱點,可以有效地避免工程風險。

3 結語

(1)異型基坑的圍護結構受力與變形和二維平面應變問題的計算假定有本質不同,空間效應明顯。對于此類基坑使用二維計算軟件來模擬的計算誤差較大,而三維計算能充分考慮基坑的空間效應。

(2)異型基坑的內支撐體系布置應充分考慮基坑異型帶來的薄弱點,在結構平面的變化點(特別是內凹點)應重點加強。

(3)該異型超深基坑開挖深度大,對周邊環境易產生較大影響;而2層樓板形成的框架體系約束作用明顯,對控制圍護變形提供了有利條件,可供其它異型基坑設計參考。

圖6 各個斷面測斜曲線圖

[1]趙錫宏,楊國祥.大型超深基坑工程實踐與理論[M].北京:中國建筑工業出版社,1996.

[2]Ou C Y,Chiou D C,Wu T.Three-dimensional Finite Element analysis of deep excavations[J].Journal of Geotechnical Engineering,1996,122(1):337.

[3]Charles W W NG.Numerical analysis of a multi-propped excavation in stiff clay[J].Can Geotech J,1998,135(1):115.

[4]Bose S K,Som N N.Parametric study of a braced cut by finite element method[J].Computers and Geotechnics,1998,22(2):91.

[5]唐孟雄,趙錫宏.基坑開挖擋土墻的有限元模型[J].同濟大學學報:自然科學版,1998,26(5):516.

[6]陸新征,宋二祥.某特深基坑考慮支護結構與土體共同作用的三維有限元分析[J].巖土工程學報,2003,25(4):488.

[7]譚永朝,唐雅茹,彭加強,等.基于數值分析的深基坑圍護結構優化設計[J].城市軌道交通研究,2009(8):21.

Analog Analysis of the Numerical Value of Difform Deep-pit Engineering in Shanghai Metro

Hou Yuwei

In this paper,a software of finite differential method FLAC3D is used to simulate a difform ultra-deep foundation pit of Shanghai metro,the excavation depth is 27 m.Considering the interactions between the soil,structure and level support,a three-dimensional finite element model will simulate the layered excavation and is compared with the two-dimensional plane calculation.At last,the general deformation laws of difform ultra-deep excavation are obtained,which show that the control points of deformation and the deformation characteristics of difform ultra-deep foundation pit are different from those of the conventional pit.

difform pit;ultra-deep pit;simulated calculation

T U 473.2

2010-01-20)