某地铁车站不规则基坑的三维有限元分析

曾祥会

(天津滨海新区建设投资集团有限公司，天津 300450)

1 概述

随着城市化的发展,地铁的兴建已经成为解决由城市发展带来的交通问题的最有效途径,地铁的建设也将极大带动沿线周边区域的发展[1]。目前地铁车站结合周边商业开发共同建设的模式越来越成为城市发展的主流,结合地块设计的地铁车站也越来越多,受此影响,地铁车站的外形多种多样,基坑深度深浅不一[2]。由于目前基坑工程采用的支护计算分析软件多为选取断面分析,对不同深度基坑的不平衡水土侧压力无法准确模拟,因此,选用合理的三维有限元程序通过计算模拟施工,能最大程度的模拟施工过程中围护结构及支撑的内力变化,利用计算结果指导设计施工[3，4]。

本文就是基于以上原因,在地铁车站的设计过程中,采用结构设计有限元分析软件MIDAS/GEN按照分步开挖的施工过程进行模拟计算,分析对于外形不规则、深度不等的地下车站基坑工程,采用明挖顺做法施工时施工过程中围护结构及支撑的内力变化,从而指导设计、施工。

2 工程概况

本工程为天津地铁3号线解放桥站,位于城市商业中心,车站结合地块开发进行设计；站址附近保护性建筑物较多,距离最近的约1.5 m,车站大里程距离海河约24.5 m；本站为地下3层车站,地下1层为车站站厅层,面积约8 200 m2,结合地块开发设置部分综合服务区,地下2、3层为车站设备层、站台层,面积各约3 400 m2；地下1层1级基坑深度13.1 m,地下2、3层2级基坑一般段基坑深29.85 m、盾构井处基坑深31.45 m；采用明挖法施工,围护结构为地下连续墙,1级基坑采用2道钢筋混凝土支撑,2级基坑采用4道(局部5道)钢管支撑。

基坑横断面见图1。

图1 基坑横断面

本站站址范围内地层软弱,主要为第四系全新统人工填土层(人工堆积Qml)、新近沉积层(第四系全新统新近组故河道、洼淀冲积Q43Nal)、第Ⅰ海相层(第四系全新统中组浅海相沉积Q42m)、第Ⅱ陆相层(第四系全新统下组沼泽相沉积Q41h及河床～河漫滩相沉积Q41al)、第Ⅲ陆相层(第四系上更新统五组河床～河漫滩相沉积Q3eal)、第Ⅱ海相层(第四系上更新统四组滨海～潮汐带相沉积Q3dmc)、第Ⅳ陆相层(第四系上更新统三组河床～河漫滩相沉积Q3cal)、第Ⅲ海相层(第四系上更新统二组浅海～滨海相沉积Q3bm)、第Ⅴ陆相层(第四系上更新统一组河床～河漫滩相沉积Q3aal)、第Ⅳ海相层(第四系中更新统上组滨海三角洲相沉积Q23mc)。

站址范围内地下水埋置深度较浅,水位埋深约1.0 m。

3 计算模型的选择

本工程为地下多层框架结构,主体采用钢筋混凝土结构,根据地层软弱及钢筋混凝土结构弹性可恢复的特点,可考虑将水土压力形成的荷载直接作用到围护结构上,按荷载结构模型进行计算,也可根据土的试验实测参数,取结构外侧一定范围的土体,按地层结构模型进行计算[5-6]。

荷载结构模型是结构被动的承受基坑外部土体带来的荷载,结构内力按结构力学方法计算,基坑外部土体的弹性抗力是结构与土体相互作用的唯一反映,计算可通过弹簧模拟被动弹性抗力[7]。

地层结构模型是地层与结构共同构成承载体系,荷载来自地层的初始应力和施工引起的应力释放；结构内力与地层重分布应力一起按连续介质力学方法计算,地层与结构的相互作用以变形协调条件来体现[8]。

经综合分析考虑,荷载结构模型较地层结构模型能更好的反应结构受力状态,在软土地层中具有较高安全储备,且建模计算较简便,因此本工程采用荷载结构模型进行分析模拟。

4 有限元计算过程模拟

(1)计算边界条件

①依据地区工程经验假定各结构的界面尺寸,材料按实际设计参数选取,荷载采用水土分算；

②围护结构地下连续墙及中间桩柱底部固结；

③根据不同土层的水平基床系数将基坑内外的土体采用拉压弹簧作用到围护结构上；

④本计算仅模拟基坑开挖至坑底的施工过程,后续结构施工另行计算模拟。

(2)过程模拟

计算采用MIDAS-GEN大型有限元软件,对基坑开挖过程进行三维分步模拟。计算中采用分步来模拟施工过程,每一个分步是指一个相对完整的施工阶段。

图2 基坑开挖过程示意(单位：mm)

根据基坑实际开挖情况(图2),计算中共分为14个施工阶段,具体如下。

阶段1：地连墙已施做完毕,挖土至第1道混凝土支撑底部(A点)；

阶段2：施做第1道混凝土支撑；

阶段3：开挖到第2道混凝土支撑底部(B点)；

阶段4：施做第2道混凝土支撑；

阶段5：挖土至1级基坑坑底(C点)；

阶段6：施做地下1层底板及第一道钢支撑；

阶段7：挖土至第2道钢支撑下0.5 m(D点)；

阶段8：施做第2道钢支撑；

阶段9：挖土至第3道钢支撑下0.5 m(E点)；

阶段10：施做第3道钢支撑；

阶段11：挖土至第4道钢支撑下0.5 m(F点)；

阶段12：施做第4道钢支撑；

阶段13：挖土至基坑底(G点)；

阶段14：施做地下3层底板,并拆除第4道钢支撑。

(3)计算模型(图3)

5 计算结果及分析(图4～图8)

(1)计算结果

图3 整体计算模型

图4 1.2 m T形幅地连墙背土侧竖向弯矩云图

图5 2级基坑1.2 m厚地连墙背土侧竖向弯矩云图

图6 1级基坑1.0 m地连墙背土侧竖向弯矩云图

图7 第1道支撑主桁架轴力图

图8 第2道支撑主桁架轴力图

(2)结果分析

从以上的计算中可以看出：由于基坑外形不规则,基坑的各个拐角处容易产生应力集中,是基坑安全的薄弱环节；基坑深度不等,2级基坑围护结构地下连续墙墙顶位于1级基坑底部,1、2级基坑两侧围护结构承受不同的基坑外水土侧压力,压力不等将造成1级基坑围护结构变形过大,通过三维计算,提高1级基坑围护结构的自身刚度,采用1.2 m厚的T形地下连续墙 ,增加围护结构本身抗基坑外水土侧压力的能力,1级基坑围护结构最大弯矩4 155.7 kN·m/m,最小弯矩-3 237·7 kN·m/m；2级基坑坑围护结构采用1.2 m厚的“一”字形地下连续墙,最大弯矩1 358.1 kN·m/m,最小弯矩-2 557·5 kN·m/m,经检算所选取围护结构满足受力要求；采用2道钢筋混凝土支撑作为1级基坑的支护结构,能够解决基坑外形不规则带来的支撑架设困的的不利因素,支撑刚度大,安全性高,整体性好,第1道支撑主桁架断面尺寸为0.8 m×0.8 m、环梁断面尺寸1.0 m×1.4 m,支撑轴力分别为3 935、10 623 kN(水平弯矩1 415 kN·m/m)；第2道支撑主桁架断面尺寸为1.2 m×1.2 m、环梁断面尺寸1.2 m×1.4 m,支撑轴力分别为9 794、8829 kN(水平弯矩2 188 kN·m/m)；经检算所选取支撑结构满足受力要求。经与施工过程实测数据比较,采用MIDAS-GEN三维有限元方法模拟外形不规则、深度不等基坑的施工全过程,计算结果能有效反映开挖过程中的围护结构内力变化。

6 结论

通过对不规则基坑施工全过程进行三维有限元模

拟计算,得出不同施工阶段地下连续墙及支撑的内力变化,并依据计算结果进行支护结构设计,能更真实得反映地下连续墙及支撑的受力状态,为设计提供了理论依据,也为设计能正确指导施工提供了有利保证,增加了不规则基坑施工的安全保证[9]。

目前,本车站的主体施工已经完成,实测的内力数据也表明,利用有限元MIDAS-GEN对基坑开挖过程进行三维分步模拟,各施工阶段围护结构的内力与工程施工过程实测结果是基本吻合的。三维有限元计算能够满足外形不规则、基坑深度不等的复杂车站基坑工程计算要求[10],结构经济合理。

[1] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版社,1997.

[2] 刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1997.

[3] 夏明耀,曾进伦.地下工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1999.

[4] 赵志缙,应惠清.简明深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2000.

[5] 唐 勇.“荷载增量法”在地下车站结构计算中的运用[J].四川建材,2005(2):42.

[6] 张炳根.软弱地层深基坑地基加固措施对比分析研究[J].铁道工程学报,2006(3).

[7] 黄 珂,林 蓼.地铁十字换乘车站预留换乘节点的结构计算分析[J].都市快轨交通,2008(3):28.

[8] 李兴高,张 弥.地铁车站结构内力计算中的问题[J].都市快轨交通,2005,18(4).

[9] 李 刚.地铁车站深基坑地下连续墙变形特征分析[J].铁道标准设计,2008(6):100-103.

[10] 丁春林.含结构节点的地铁车站空间受力分析[J].地下空间,2003,23(3).