文档介绍：地铁车站深基坑开挖监测与数值分析
 
摘  要:研究目的:在地下工程建设过程中,地铁车站作为重要的地下建筑公共设施,其安全性和稳定性显得尤为重要。本文通过研究某地铁车站深基坑开挖过程,对土体和支护的变形与稳定性展开研究,为今后的地铁车站建设提供借鉴和参考。
         研究结论:通过综合分析评价,我们得出深基坑开挖过程中土体及支护的变化规律: 入土较深的围护墙体水平位移自下而上程递增趋势增长; 支撑轴力随开挖过程有较明显的变化,并最终趋于稳定。通过模拟对比发现,基坑的第一道支撑使用钢筋混凝土支撑较为合理,对支撑施加预应力能够有效地抑制地连墙和土体的侧向位移。
关键词:深基坑; 支护变形; 地下连续墙; 有限元
 
      地铁车站深基坑工程作为一项复杂的综合性岩土工程,在施工过程中基坑内外土体应力状态的改变将会引起土体的变形,深基坑监测不仅可以保证基坑支护和相邻建筑物的安全,验证支护结构设计,还可以指导基坑开挖和围护结构的信息化施工,为完善设计分析提供必要的依据。本文结合某地铁车站深基坑工程具体情况,通过有限元程序与深基坑分析软件对地铁车站深基坑进行了模拟计算[1 -2],以及对现场监测结果的分析来研究地铁车站深基坑在开挖过程中土体与支护结构的变形规律。
 
1 工程概况
      某地铁车站为标准地下两层车站,地下一层为站厅层,地下二层为站台层,总长 183 m,站台为地下两层岛式站台,主体建筑面积为 10 191. 1 m2,出入口通道、风道建筑面积 3 272. 2 m2,车站主体建筑面积13 463. 3 m2。标准段外包宽 30. 5 m,主体结构顶板覆土厚度 2. 42 ~5. 26 m 左右,底板埋 20. 5 m( 有效站台中心处) ,基坑底位于粉砂层和粉细砂层上,潜水水位在地面以下 0. 5 ~2. 0 m。
      车站主体结构采用明挖法施工,在大道段采用盖挖顺作法施工。车站主体设有全外包防水层,沿车站长度方向依次分别开挖施工。车站主体结构采用钢筋混凝土箱型结构,围护结构采用地下连续墙加内支撑,围护结构与主体结构采用复合墙的连接方式。
 
2 开挖过程的数值分析
2. 1 基本假定
      由于地铁深基坑的实际施工过程较为复杂,在使用有限元和相关软件分析的过程中一般需将土体按弹性或弹塑性材料进行分析,为此做出如下假设: ( 1) 将岩土体视为连续、均匀、各向同性介质,采用 D - P 屈服准则; ( 2) 仅考虑土体自重应力的影响。
2. 2 土体及支护的物理力学参数
      地下连续墙及冠梁采用 C30 混凝土,弹性模量 E取为 30 GPa,泊松比μ取 0. 20,容重 25 kN/m3。钢支撑直径为609 mm,壁厚14 mm,采用 Q235 - B 材料,弹性模量 E 取 200 GPa,泊松比μ取 0. 26。各层土物理力学参数如表 1 所示。
2. 3 开挖过程与模拟方法
      本次涉及基坑开挖模拟的施工过程为: 基坑开挖初期,需等到地下连续墙和冠梁及其上部的挡土墙达到设计强度后才能进行开挖,基坑开挖至第一次开挖面,设置支撑并施加预加力,这样依次开挖土体至基底。
      根据车站基坑的基本情况建立二维有限元模型[10 -11],根据现场勘测结果,将基坑所在地区的土层大致分为八层。模型左右两侧边界施加法向约束,限制边界的水平位移; 下侧边界也施加法向约束,限制边界的竖向位移,本文选取 95 m ×52 m( 宽× 高) 的区域建立计算模型,模型共划分了 392 个单元,3 545 个节点。有限元网格划分模型如图 1 所示。
2. 4 计算结果及分析
      由于地下连续墙和钢支撑为主要的支护方式,限于篇幅的限制,本文主要就地下连续墙的墙体变形和支撑轴力的变化做出分析评价。借助有限元软件PLAXIS 并结合理正深基坑设计软件对于基坑开挖过程进行模拟,得到墙体的位移及内力变化及相应位置上支撑对于墙体和土体的影响。
2. 4. 1 对地下连续墙的水平位移进行模拟,主要模拟了开挖的四个工况,包括了四道支撑的安装过程,墙体水平位移的变化趋势,计算成果如图 2 和图 3 所示可知墙体位移随埋深的增大而减少,设置内支撑对土体的变形有很好的抑制作用,数值模拟墙体的变化规律同实测数值基本吻合。
2. 4. 2 就支撑材料和预应力两方面来分析对墙体和土体的影响,把支撑分为未施加预应力与施加预应力两种情况来做比较。从图 4 中可以看出当对支撑预加轴力时,墙体位移变化速率明显减缓,位移也相对减小,同时墙体所受负弯矩减小,可见预应力对于抵抗土体和墙体的变形和减小被动土压力起到一定的作用,所以在深基坑开挖过程中,对支撑施加预应力,特别是软土地