武汉某地铁车站深基坑开挖支护变形数值模拟研究_陈俊俊.pdf

河南科技Henan Science and Technology交通与土木工程总第800期第6期2023年3月武汉某地铁车站深基坑开挖支护变形数值模拟研究陈俊俊（武汉市汉阳市政建设集团有限公司，湖北武汉430000）摘要：【目的目的】以武汉市唐家墩地铁车站深基坑工程为例，综合考虑场地工程地质、水文地质条件，权衡经济、安全、施工难度、工期等因素的影响，最终采用连续墙加内支撑的方式对该深基坑进行开挖支护。【方法方法】结合 ABAQUS 数值模拟软件中的 Mohr-Coulomb 准则进行三维建模，模拟研究了基坑开挖过程，预测了基坑开挖影响范围内土体的水平位移、垂直位移及支护结构的变形，并与现场监测资料进行了比对。【结果结果】研究结果表明：开挖初期主动土压力主要由开挖面以下连续墙承担，随着开挖加深和支撑设置，主动土压力在后期主要由开挖面以上连续墙承担。围护结构最大水平位移为 30.3 mm，坑外最大沉降量 17.5 mm，坑内最大隆起量为 19 mm，与现场实测数据一致，从而验证了设计方案的可行性。【结论结论】基坑开挖支护方式满足一级基坑变形控制要求。模拟结果表明支护设计方案是可行的。关键词：深基坑开挖；数值模拟；位移；变形中图分类号：TU753文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）06-0066-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.06.013Numerical Simulation Study on Supporting Deformation of DeepFoundation Pit Excavation in a Subway Station in WuhanCHEN Junjun(Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co.,Ltd.,Wuhan 430000,China)Abstract:Purposes Taking the deep foundation pit engineering of tangjiadun subway station in Wuhanas an example,this paper comprehensively considers the engineering geology and hydrogeological conditions of the site,weighs the influence of economy,safety,construction difficulty,construction period andother factors,and finally adopts the continuous wall with internal support to excavate and support thedeep foundation pit.Methods Combined with Mohr-Coulomb criterion in ABAQUS numerical simulation software,the three-dimensional modeling is carried out to simulate the excavation process of foundation pit,and the horizontal displacement,vertical displacement of soil and deformation of supportingstructure within the influence range of foundation pit excavation are predicted,and are compared withthe field monitoring data.Findings The results show that the active earth pressure is mainly borne bythe diaphragm wall below the excavation face at the initial stage of excavation and with the deepening ofexcavation and support setting,the active earth pressure is mainly borne by the diaphragm wall abovethe excavation face at subsequent stage.The maximum horizontal displacement of the retaining structureis 30.3 mm,the maximum settlement outside the pit is 17.5 mm,and the maximum uplift inside the pitis 19 mm,which is consistent with the field measured data,thus verifying the feasibility of the design收稿日期：2022-10-19作者简介：陈俊俊（1984），男，本科，高级工程师，研究方向：市政工程施工。第6期67scheme.Conclusions The excavation and support mode of foundation pit can meet the deformationcontrol requirements of first-class foundation pit.The simulation results show that the support design isfeasible.Keywords:deep foundation pit excavation;numerical simulation;displacement;deformation0引言随着城市地铁的兴起，国内外对地铁站深基坑工程的研究也随之增多。地铁工程的建设面临车站深基坑工程的设计、施工及监测等问题，对车站基坑工程的安全、稳定性等要求较高，还要考虑对邻近建筑物及地下管线等环境因素的影响，在车站基坑工程施工过程中，需要对围护体系及地表变形实时监测并及时采取相应措施1。因此，有必要对地铁车站基坑工程施工过程中围护体系的受力及变形和地表位移进行研究。本研究以武汉市唐家墩地铁车站深基坑工程为例，综合考虑场地工程地质和水文地质条件，权衡经济、安全、施工难度、工期等因素的影响，最终采用连续墙加内支撑的方式对该深基坑进行开挖支护2。同时，结合ABAQUS数值模拟软件对该车站标准段基坑开挖的施工全过程进行了数值模拟，预测了基坑开挖影响范围内土体的水平位移、垂直位移及支护结构的变形，并与现场监测资料进行了比对。对基坑内被动区土体采用不同加固方法对基坑开挖过程围护墙及地表变形的影响进行了研究。1基坑工程地质概况1.1工程概况该深基坑位于武汉市江汉区，地处发展大道与唐家墩路交叉口处。基坑沿唐家墩路呈南北走向，起点里程为K24+827.6，终点里程为K25+55.4。车站结构为地下三层双柱三跨结构，地下第一层为站厅层，第二层为设备层，第三层为站台层。标准段基坑开挖深度约为 20.5 m，端头井开挖深度约为23.1 m，采用明挖法施工。1.2工程地质条件勘查区位于长江级阶地，为长江冲洪积物形成的堆积平原地貌。根据野外钻孔岩性描述、原位测试结果及室内土工试验成果，可将拟建工程场地勘探深度范围内地层划分为五大层、十三个亚层。各土层及支撑结构的物理力学性质如表 1 所示。地下水位按现场实测结合武汉市区域水文资料，取20 m为设计高水位。基坑降水至坑底以下1 m。2基于ABAQUS的基坑开挖数值模型构建近年来，得益于计算机技术的高速发展，数值模拟技术在岩土工程中得到了广泛的应用，很多复杂的岩土工程问题通过数值模拟可快速得到解析解3-4。本研究采用ABAQUS有限元软件对该基坑的开挖支护过程进行了数值模拟计算。2.1基本假定为了保证模型的顺利建立，对一些次要因素及过于复杂的因素进行了简化，基本假定如下：假设各土层为水平分布；假设土体为均质、各向同性的弹塑性体，强度服从 Mohr-Coulomb 强度屈服准则；支撑和连续墙为完全弹性体；不考虑施工对土体力学指标的影响。表1岩土体和支撑结构物理力学参数土层名称1-1杂填土1-3淤泥质黏土3-3淤泥质粉质黏土3-5粉砂夹粉土4-1粉细砂4-2细砂15D-1强风化砾岩15d-2中风化砾岩混凝土支撑钢支撑连续墙层厚/m1.88.44.11.120.46.87.95.0密度/（kN/m3）18.518.017.618.318.218.826.026.424.078.624.0弹性模量/MPa2822222238038026 00028 00032 000210 00029 000泊松比0.300.350.350.350.300.300.200.200.200.250.20黏聚力/kPa111210130080150内摩擦角/（）8641532362040水土合算是是是是否否否否陈俊俊.武汉某地铁车站深基坑开挖支护变形数值模拟研究68第6期2.2模型尺寸及边界条件根据工程经验，基坑开挖影响深度为开挖深度的24倍，影响宽度为开挖深度的34倍，故模型所取的计算域为130 m60 m。选取宽度为6 m，包括一个计算宽度内的土体、支撑和连续墙。土体和连续墙部件采用三维实体拉伸，支撑采用梁单元。土体和连续墙之间设置硬（hard）接触，支撑与连续墙设置为tie接触。土体和连续墙采用三维八节点实体减缩积分单元（C3D8R）模拟，支撑采用梁单元模拟。然后分别赋予土体和围护结构材料参数。2.2.1边界条件。整个模型底部约束X、Y、Z轴方向的位移。其中，左右两侧约束X轴方向的位移（U1=0）；前后面约束Y轴方向位移（U2=0）；上边界为自由边界。墙体与土体之间设置为面面摩擦接触（摩擦系数取值0.3）。2.2.2采用按边布种的方式进行网格划分。为同时兼顾计算机性能和精度要求，墙体和基坑围护结构附近网格较密，最小网格尺寸为1 m，离墙体越远网格越疏松，由连续墙向两侧网格尺寸逐渐增大（14 m）。具体有限元网格划分如图1所示。2.3基坑支护形式基坑重要性等级为一级，侧壁安全等级为一级。基坑开挖深度20.5 m。主体标准段围护结构采用地下连续墙+内支撑围护结构，使用厚度为1 m的地下连续墙，连续墙顶低于地面，地下连续墙深入中风化泥质粉砂岩23 m以起到隔水作用。连续墙上方另作1.5 m高挡土墙。支撑采用直径为 609 mm、壁厚为 16 mm 的钢管。施工期间基坑侧面超载按无限局部荷载 q2=15 kPa，施工道取分布宽度为6 m距基坑边缘距离3 m的条形荷载q3=18 kPa。不考虑内外渗流影响，基坑开挖支撑步骤如下：第一次开挖至地表下2.3 m，设置第一道内支撑；第二次开挖至地表下6.4 m，设置第二道内支撑；第三次开挖至地表下10.8 m，设置第三道内支撑；第四次开挖至地表下14.6 m，设置第四道内支撑；第五次开挖至地表下17.8 m，设置第五道内支撑；第六次开挖至基坑底部，距地表20.5 m处。2.4参数选取土体及围护结构力学参数的选取如表1所示。3结果分析与讨论3.1初始应力场分析对模型整体施加重力荷载，然后令位移场清零，得到初始应力，如图2所示。从图2可以看出，初始应力场主要受土体自重影响，分布较均匀，随着深度加大数量级加大。3.2基坑外地表水平位移分析第二次和第五次挖阶段的基坑水平位移变化如图3所示。由图3可以看出，基坑围护墙体嵌入一定深度的岩层中，随着开挖深度的增加，最大水平位移点的位置随开挖面逐渐向下移动，且变形区域逐渐增大。由图3还可以看出，水平位移等值线呈现以开