基于數值模擬技術下的基坑開挖變形研究

摘要：為了更好地探究其在鐵路站場施工中的應用，闡述基坑開挖的具體工序及步驟，并結合數值模擬技術對施工效果進行了評價。根據項目工程地質條件，確定了詳細的基坑開挖及支護方案。基于Midas有限元仿真環境建立了地質概化模型，對整個施工過程進行數值模擬。從地連墻位移、支撐變形、開挖過程出現的位移等多方面，對該施工方案的潛在效果進行分析。

關鍵詞：鐵路站場;基坑開挖;支護;數值模擬

0" "引言

隨著大城市對于地下空間開發利用的增多，越來越多的基坑工程被納入到城市建設的范疇之中[1-2]，特別是對于城市鐵路站場等基礎設施而言，基坑開挖及支護往往是不可或缺的環節[3]。基坑在開挖過程中產生的變形量大小，對周圍環境的影響程度不同[4]。本文以某鐵路站場工程為例，首先基于工程概況及地質條件的綜合考慮，確定了基坑開挖及支護方案。進一步使用Midas軟件，對該基坑施工過程中產生的變形進行了數值模擬分析，最后通過從地連墻位移、支撐變形、開挖過程出現的位移等多角度出發，對該施工方案的潛在效果進行評價，旨在為后續施工過程提供科學依據，并為其它項目提供參考借鑒。

1" "項目概況

1.1" "項目簡介

某鐵路站場設施的土建工程共包含3車站4區間，工期為960天。該站采用明挖順作法施工，其中1～10軸開挖深度為24.1～25.7m，設置3道混凝土支撐+2道鋼支撐，10～40軸開挖深度為19.2～21.6m，設置1道混凝土支撐+3道鋼支撐，40～43軸開挖深度為17.1m，設置3道混凝土支撐+2道鋼支撐。

1.2" "工程地質條件

本標段場地沿線地貌形態為堆積平原區，由長江沖洪積物構成的I級階地。I級階地地面標高一般22～24m，總體上北低南高。根據前期勘查結果，該基坑開挖范圍內主要地層為素填土、粉質黏土（兩處）、粉細砂、細砂（兩處）、中粗砂。

2" "基坑開挖及支護方案

2.1" "開挖原則

基坑開挖第一原則是要保證基坑開挖過程的安全性。基坑開挖過程以及順序必須嚴格與設計工況一致，并在施工過程中，要充分考慮盡可能減少變形量的原則。分布開挖過程中，應該控制各步開挖寬度不超過6m，同時禁止坑邊出現超載現象。

2.2" "開挖及支護工序

采用明挖順作法施工，其中1～10軸開挖深度為24.1～25.7m，設置3道混凝土支撐+2道鋼支撐，10～40軸開挖深度為19.2～21.6 m，設置1道混凝土支撐+3道鋼支撐，40～43m軸開挖深度為17.1m，設置3道混凝土支撐+2道鋼支撐。鋼支撐均為800mm直徑，16mm壁厚的鋼管支撐，支撐中心間距約為3m。

3" "基于Midas的數值模擬分析

3.1" "地質概化模型的建立

整體基坑長576m，寬24.5m，設計基坑一層底板標高11.74m，相應開挖深度約11.26m。設計基坑二層底板標高6.61m，相應開挖深度約16.39m。兩邊進行土層延長，故整體模型尺寸的長為676m，寬為124.5m，高為61.3m。根據勘察結果，土層共8層，基坑分為5次開挖，設置5道內支撐。各土層參數如表1所示。內支撐和地連墻的參數由經驗值確定，泊松比為0.3，容重為76.98kN/m3，彈性模量為2.1×108 kN/m3。

3.2" "基坑開挖及支護模擬

在Midas中的模擬步驟依次如下：進行地應力平衡→開挖支護1階段→開挖支護2階段→開挖支護3階段→開挖支護4階段→開挖支護5階段。開挖網格模型如圖1所示。設置收斂值為1e-5，在win10系統中計算約120min到達該值，隨即停止計算。第1次至第5次開挖支護后的總位移如圖2至圖6所示。第1次至第5次支護后的內支撐總位移如圖7至圖11所示。

3.3" "數值模擬結果及分析

從開挖之后的總位移來看，5次開挖工序之后的位移分別為2.3mm、3.3mm、5.4mm、7.6mm、11.2mm，位移在一直增大，符合開挖的實際情況。在所有工序中，第5道工序引起的位移是最大的，這與開挖時基坑所處地形的應力場和變形場的分布有關。

從內支撐變形的角度來看，6次支護過后，內支撐的位移分別為2.5mm、3.4mm、5.7mm、8.8mm、13.2mm，位移在一直增大。這是因為支護對基坑的變形起到一個抑制作用，基坑向外的作用力開始逐漸增大，帶著支護結構也一起向外變形。支護的累積位移一直增大，說明了支護起到了一定的效果。最大的位移變形出現在了第5道工序中，達到了13.2mm，說明該工序是潛在的最危險工序，在施工時需要格外注意。

4" "結束語

本文以某項目中的基坑工程為例，使用Midas有限元軟件進行了數值模擬分析。計算結果顯示，隨著開挖工序的進行，工作面的總位移不停增大，符合施工的實際情況。與此對應的，支護結構的位移先減小再增大，表明支護措施起到了一定效果。在所有6次開挖進程中，最后一次開挖過程所產生的內支撐變形最大，這與每次開挖時地形條件的應力場和變形場的分布緊密相關，能夠為實際工程中的防御措施提供依據。

參考文獻

[1] 武景淑.常州鐵路站場2號線基坑巖土工程問題分析[J].工程建設與設計，2018（19）：49-51.

[2] 張道彬，喻青儒，宋虎.佛山鐵路站場石灣站基坑開挖施工新技術研究[J]. 建設科技，2017，20：153-155.

[3] 余挺.建筑工程中深基坑施工技術的應用[J].綠色環保建材，2019（3）：141-144.

[4] 尹鐵峰，顧其波，高京生，等.基坑施工對地鐵隧道影響的模擬分析[J].水道港口，2017（3）：291-298.