基于MIDAS技术的二维深基坑工程模拟研究_李勇军.pdf

第 43卷第1期辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.43,No.12023 年 2 月Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Feb.2023收稿日期：2022-06-30基金项目：天津市重点研发计划科技支撑重点项目(19YFZCSF00820)作者简介：李勇军(1968-)，男，河南卫辉人，高级工程师。DOI:10.15916/j.issn1674-3261.2023.01.010.基于 MIDAS 技术的二维深基坑工程模拟研究李勇军1，黄雨茜2，程学磊3,4，李文东3，李顺群2（1.辽宁工业大学 后勤管理处，辽宁 锦州121001；2.天津城建大学 土木工程学院，天津300384；3.中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州450007；4.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州450003）摘要：依托合肥经开区大学城地下空间利用项目，借助 MIDAS GTS 有限元数值模拟软件，研究二道斜撑在一定开挖步序情况下的开挖效应，对开挖过程中邻近基坑的隧道产生的影响进行了分析。并通过对建模计算结果的分析讨论，提出了一些包括开挖、支护等改进施工简单有效的措施。研究发现，基坑开挖时的围护结构位移变形的最大值发生在基坑的中间部位，而不是在两端；周边建筑物沉降发生在基坑开挖围护结构边缘处，且随着与基坑的距离越远，沉降值越来越小且慢慢趋于稳定；基坑底部土体的纵向隆起边缘部分会小于其中部；盆式开挖方便了斜撑做到“先支撑，再开挖”，减小了因为土体开挖导致的围护桩位移，利用反压土抵挡作用在挡土结构外侧的主动土压力；斜撑相较于水平撑来说，开挖区域广阔，可在盆式开挖阶段采用各类大型开机械进行施工。关键词：深基坑；二维；数值模拟；隧道；位移中图分类号：TU413.4文献标识码：A文章编号：1674-3261(2023)01-0042-05Research on Two Dimensional Deep Foundation Pit EngineeringSimulation Based on MIDAS TechnologyLI Yong-jun1,HUANG Yu-qian2,CHENG Xue-lei3,4,LI Wen-dong3,LI Shun-qun2（1.Department of Logistics Management,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001 China;2.School of Civil Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China;3.School ofArchitectural Engineering,Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China;4.Yellow River Institute of Hydraulic Research,Zhengzhou 450003,China）Abstract:Based on the underground space utilization project of University Town in HefeiEconomic Development Zone,MIDAS GTS finite element numerical simulation software is used tostudy the excavation effect of two inclined braces in a certain excavation sequence,and the influence ofthe tunnel adjacent to the foundation pit in the excavation process is analyzed.Through the analysis anddiscussion of the modeling calculation results,some simple and effective measures to improve theconstruction including support and excavation are put forward.The results show that the maximumdisplacement of the retaining structure occurs at the middle part of the foundation pit,not at both ends;The settlement of surrounding buildings occurs at the edge of the retaining structure of foundation pitexcavation,and the settlement value becomes smaller and smaller with the increase of the distance fromthe foundation pit and gradually tends to be stable;The middle part of longitudinal uplift of foundationpit is larger than its edge;Basin excavation facilitates the inclined bracing to“support first,thenexcavate”,reduces the displacement of the retaining pile caused by soil excavation,and uses the backpressure to resist the active earth pressure on the outside of the retaining structure;Compared with the第 1 期李勇军等：基于 MIDAS 技术的二维深基坑工程模拟研究43horizontal support,the excavation area of diagonal support is broad,and various large opening machinescan be used for construction in the basin excavation stage.Key words:deep foundation pit;two-dimension;the numerical simulation;tunnel;displacement随着国家不断建设与发展，同世界上许多国家一样，随着城市化不断加快，地面资源越来越稀缺，与城市化的需求之间的矛盾日益严重。为有效地利用土地，城市中开始加快建筑纵向空间的发展1。工程深度随着大量地下空间与高层建筑的建设也越来越大，施工难度也随着深度与规模不断增加而增大。周围建筑必然会由于深基坑的开挖从而产生不可忽视的影响，尤其是对形变控制要求非常苛刻的地铁隧道，需要将变型控制于十几毫米甚至几毫米之间2-3。而且原隧道会由于基坑的开挖其变形场与应力场发生改变，使原有的应力平衡状态造成破坏，进而导致隧道产生开裂及变形，甚至引发严重事故。地下工程中对于基坑变形的控制目前已经成为一项重要的研究课题4-5。在深大基坑的施工项目进行过程中，对基坑各个方位的变形进行控制，不仅能够使基坑本身的稳定性和安全性得到相应的保证，而且在施工过程中能够保证其对周边环境的位移不会发生变化。为保护基坑周围的环境，在不同土质区域，施工扰动所引起的地表下沉变化亦不同6。在土地质量好的地区，采取适当措施控制可有效保证周边现存的市政环境的安全。土壤质量不够好，基坑中挖掘产生的土体应力卸载会影响坑周边环境和支护结构。在这过程中会对周围建筑物产生较大的影响7-8。本文依托合肥经开区大学城地下空间利用项目，利用 MIDAS GTS 有限元数值模拟软件，考虑了基坑、土体与隧道之间的相互作用，建立开挖区域的二维有限元模型，研究二道斜撑在一定开挖步序情况下的开挖效应，较为深入地分析了深基坑开挖过程中对既有邻近隧道产生的影响，并通过对建模计算结果的分析讨论，提出了一些包括开挖、支护等的改进施工简单有效的措施，以期为基坑开挖及隧道等工程应用提供相应参考。1项目概况1.1工程概况拟建合肥大学城地下空间工程东广场工程由西侧地下两层主体结构与东侧地下一层地铁联络通道组成，场地北临莲蕊路，基坑边线在道路红线外 0.6 m；南临石柱路，基坑边线在道路红线 1.0 m；西临百鸟路，基坑边线距离道路红线 33.3 m；东临翡翠路，基坑边线紧贴道路红线，翡翠路下的地铁区间隧道的西侧区间隧道中心线距离东广场结构主体边线约 20.3 m。该地下空间工程基坑西侧呈矩形，东侧呈半圆形，东广场基坑西段呈矩形，东侧呈半圆形，基坑东西向总长度为 316 m，西侧矩形段南北向长度为100.5 m，东侧半圆段南北向总长度为 182 m，基坑周长 946 m，占地面积约 35 616 m2。地下一层区域是东侧地铁联络通道，基坑开挖 9.112.0 m 深；地下二层主体区域是建筑 129 轴区域，基坑开挖13.115.05 m 深。本基坑开挖深度大于 5 m，根据规划方案，本项目场地周边均为现状道路，且基坑东侧有现状地铁区间隧道，支护结构经综合考虑，安全等级为一级。1.2工程地质与水文地质经勘察，本工地的宏观地形单元属于江淮丘陵，场地地形总体呈中部低东西高，微地形属于冈山拟建工程场地，现为城市景观绿地，建设场地地下水位主要由大气降水进行补给。地下潜水水位根据季节不同有 0.50 m 左右的上升幅度。该地区域的地下水与地基土具有一定的微腐蚀性，对于钢筋混凝土结构中的钢筋及混凝土结构会产生一定的影响。本工程拟建地下空间稳定水位为现状地面以下0.51.0 m，耐浮水位设计可取室外整平标高 0.5 m。2基坑施工工序第一步：基坑内施做围护桩和主体抗拔桩、支撑下钢格构立柱及立柱桩。第二步：围护桩区域内采用分层开挖、平面分块的盆式开挖，首先对中部区域进行开挖，其次对周围区域进行开挖，依次向下，分层、分块开挖，每层开挖深度不超过 3 m，开挖面坡比为 11。此段范围内，基坑需南北对称开挖及支护。开挖至土中“盆式开挖临界线”处，施做围护桩冠梁，并进行冠梁顶坡面的插筋，及桩顶坡面和盆式开挖临界线坡面的喷浆挂网工作。土方开挖过程中，当未开挖至“盆式开挖临界线”时，需随时注意基坑内的排水工作，必要时及时覆盖土工布。第三步：当盆式开挖范围内的土体开挖至基坑44辽宁工业大学学报(自然科学版)第 43 卷底部时，施工主体结构的垫层、底板、桩承台及结构底板后浇带。第四步：待中间盆式开挖部分的主体结构的垫层、地板及桩承台达到设计强度，且已施工完的底板不得小于后浇带范围，在地板上浇筑第一道支撑的牛腿，待牛腿达到设计强度后，采用槽式开挖的方法将第一道斜撑所在的位置处的土体开挖到支撑下 0.5 m，后假设第一道斜撑，施工第一道斜撑的联系梁。第五步：挖土第二个斜支撑牛腿的部位，施工此部分土体垫层、底板、桩承台及第二道斜撑的牛脚，待底板和牛脚的强度达到设计强度后，采用槽式挖掘方法，将第二斜支撑的土挖到 0.5 m。后假设第一道斜撑，施工第二个斜柱的连接梁。继续挖掘支撑着泥土的残余施工主体结构的垫层、底板、承台至支护桩边缘。3基坑整体模型及施工阶段划分3.1模型介绍在矩形阶段模型中由相互不同的 4 个地层、挡土灌注桩、二道斜撑和垫层组成。进行支护结构及土方开挖的施工阶段分析。土体开挖为十步开挖。开挖至设计高度后开始进行钻孔灌注桩施工，放坡开挖至坑底进行垫层