地铁车站深基坑开挖过程变形规律研究.pdf

地铁车站深基坑开挖过程变形规律研究李国林收稿日期:作者简介:李国林()河北衡水人 高级工程师 研究方向:市政、桥梁和路基工程施工(中铁十九局集团第五工程有限公司 辽宁大连)摘要:文章采用 软件对某市某地铁车站的开挖进行了数值仿真 并与实际测量数据进行了比较 结果表明 在开挖过程中 深基坑对自己的围护结构和周围的地面都有一定的影响:当基坑的开挖深度增大时 桩的横向位移发生了弓形的变化 两端位移较小 中间位移较大 第三道钢支撑处出现最大位移变量 地面沉降变形呈现出抛物线型的变化 在基坑边缘 处 端头井处地面沉降呈现出三角形沉降 基坑边缘出现最大沉降当开挖深度增大时 支撑轴力的变化也随之增大 当它挖掘至底部的时候 它就会趋于稳定 关键词:基坑 变形规律 数值模拟 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/随着地铁发展的持续进步 人们越来越意识到地铁施工时的安全性和重要性 文明施工、安全施工 开挖基坑时 基坑的支护结构和周围地面会随开挖深度的增大而发生位移 进而探索基坑开挖的变形规律 并对开挖过程中的薄弱部位进行了深入的认识和保护 因此 在挖掘过程中必须探讨基坑的变形规律张明聚等利用软件 方法 对车站深基坑进行了数值仿真 并对围护桩的弯矩在不同预加轴力及刚度下的钢支撑进行了量化分析吴凤元等采用有限元进行数值分析的结果表明:桩水平位移在没有钢支撑时位移相对较大第、道支撑有着重要的影响 夏梦然采取注浆的方法对基坑加固 有利于对地下连续墙进行一定的保护 达到了很显著的效果 任伟明等借助 有限元分析 针对某工程的桩锚支护、变形缝进行了数值仿真 并对其进行了计算 给出了若干方面的意见 秦胜伍等对深圳某基坑工程采用仿真模拟 发现了基坑在开挖底土、拆除底层支撑阶段出现了较大的变形 且出现了两端较大 中间较小的现象 鲍如意等对呼和浩特地铁车站基坑采用 软件模拟结果为:若开挖时 其暴露的时间太长 没有连续施工 则会增加坑底变形 麻凤海等利用/对沈阳某深层基坑进行了仿真模拟结果为:在开挖时 围护结构的角部效应显著其边角部位位移不明显 向外部呈现出逐渐变大的现象 并与实测数据进行比较 得到了钢支撑对基坑的稳定性的重要影响 王海超等通过采用 软件对哈尔滨某深基坑进行模拟 结论如下:对限制基坑水平位移起到良好限制作用的是地下连续墙加混凝土支撑加钢支撑的围护结构赵凌云等在模拟软土地层基坑开挖时得出结论 由于该支护结构改变了以往在支护结构上的土压分布 保证了支挡结构的稳固 即在分层开挖中采用重力式挡墙结合桩锚结构 在某种程度上可以有效限制基坑变形 康景文等认为对基坑的变形最重要的影响因子是锚索在施工过程引起的振动 至于其他因素影响很小 可以忽略不计 柴海博建立三维基坑应力渗流模型该模型是依托实测数据 综合了数值计算得出的即:基坑在结束第四道支撑以前 立柱桩凸起速 年第 期 九江学院学报(自然科学版)()(总第 期)(.)率明显 紧接着甚微 墙的深部水平位移为开挖面附近出现的先增后减、具最大值的“弓”型曲线 基坑周边地表沉降表现为“凹”槽型 周刚等通过对比芜湖某基坑工程开挖模拟结果、监测值及规范值 发现:随着工程进度的持续推进 开挖深度越来越深 地表沉降和支护结构水平位移值也相应增涨 同时开挖次数越多 二者的预警临界值越大文章采用了数值模拟 同时综合考虑了现场数据 归纳了对于围护结构在基坑开挖过程中的变形相关规律 积累了基坑工程开挖的宝贵经验 工程概况 工程简介该车站为站台宽 的地下双层岛式站台车站 长度是 盾构井段是 标准段长度是 采用的结构是双跨箱式框架结构车站中间顶板的覆土厚度为 施工采用明挖顺作的方法 利用围护桩钢支撑型式为主体结构 水文地质条件地下水是第四系孔隙潜水 相关记录表明地下水位在 世纪 年代末持续降低 截止到日前 地下水位埋深 基坑支护设计该基坑围护不适合采用连续墙 故首先考虑钻孔灌注桩 设计参数为 开挖深度为 基坑内支撑均是钢支撑 间距 直径 图 为其体系横断面图 支护体系的横断面图 数值模拟 计算模型该工程采用基坑标准段中间部位作为计算的模型 该模型宽 高 标准段宽 开挖深度 桩长 上部为冠梁 距基坑边缘 处为建筑物 全采用管径 厚度 的钢支撑 采用单元类型为平面应变单元 对两侧方向施加边界条件 同时对桩与土体接触进行使用表面接触模拟 钢支撑和墙体采取点对点的耦合约束 土层划分及参数车站深基坑开挖时的土体可划分为 个层次分别为:人工填土、黄土状粉质黏土粉土、粉砂、粉土和粉质黏土表 各土层与参数表土层粘聚力/弹性模量/密度/(/)泊松比厚度/内摩擦角/人工填土 黄土状粉质黏土粉土 粉砂 粉土 粉质黏土 支护结构的模拟车站围护首先考虑钻孔灌注桩 但可按照地连墙的规律研究 把钻孔灌注桩更换为地下连续墙 模拟的地下连续墙的厚度可以按照等刚度法进行计算求出:()()参数(单位是):钻孔灌注桩的直径桩与桩距离 地连墙的厚度施工过程中 使用直径为 桩间距为 的钻孔灌注桩 解出厚度是 的地连墙(模拟得出弹性模量为 泊松比为 密度为/)取 钢支撑需模拟尺寸 三支撑为距地面、的钢支撑模型(模拟得出弹性模量为 泊松比为 )模拟结果分析 桩体水平位移 基坑完全开挖后的桩体水平位移变化如图 九江学院学报(自然科学版)年第 期图 基坑完全开挖后的桩体水平位移变化情况通过仿真模拟得到的位移云图和桩水平位移的曲线 得出了第一层开挖时位移变化很小 最大位移量在 处 最大位移量为 第二与三层开挖时 桩体水平位移发展较慢 第二层开挖 时 最 大 位 移 在 处 最 大 位 移 量 是 在第三层开挖中 最大位移出现在 处 而最大位移量是 从桩的位移变化曲线可知 第二支撑与第三层支撑减缓了桩的持续变形 桩的水平位移由于基坑支护结构的改进基本保持不变(工况)极值位移仍然位于 深度处 是最大位移量 说明在钢支撑的影响下 最大位移深度在 间 地表沉降 基坑完全开挖后的地表沉降变化情况如图 图 基坑完全开挖后地表沉降变化情况从地表垂直位移云图可以得出 开挖基坑初始阶段(工况三与工况四)地表发生隆起 离边缘越近 隆起愈甚 源于边缘较近的部分受到开挖影响不大 而基坑的支护结构及支撑的安装使得基坑边缘附近的部位发生隆起现象 工况五和工况六中 在 处发生地表垂直向最大位移 最大沉降分别为 和 图 地表竖向位移云图在此模型中 地面垂直位移只在 范围内有一定的影响 基坑的垂直位移在第三层钢支撑安装完毕后表现为凹槽型的情况 最大的沉降发生在距基坑 处 表明土体由于基坑开挖时会产生影响 从而发生坑角效应 钢支撑轴力 模拟模型时 将第一道钢支撑随开挖深度的变化记录下来 并做出如图 所示的不同工况下钢支撑的变化图图 钢支撑在不同工况下的变化图从轴力变化图了解到:钢支撑的轴力在不断波动中由于基坑的开挖而持续增大 第一道钢支撑始终受到围护桩对其产生的压力 并且该钢支撑明显地起到了限制桩体水平移位的作用 基坑开挖后轴力趋于不变 最大值为 比预警值要小一些 监测结果与实测值对比分析 桩体水平位移变化桩体水平位移在不同开挖阶段的变化见图 第 期 李国林:地铁车站深基坑开挖过程变形规律研究图 不同开挖阶段下桩体水平位移变化图 种工况的实测与模拟得到的数据进行对照结论如下:()测量数据变化曲线与仿真数据变化曲线基本相同 在开挖不深时 水平位移很小 最大水平位移位置比较接近上部 当基坑开挖深度不断增大时 最大水平位移位置逐渐降低 具有最大水平位移的位置在 左右 围护结构和水平位移在开挖 层时基本保持不变 同时发现变化曲线是弓形的 中间具有最大值()模拟数据和现场数据的走势图大致相同但是有着一定的差异 可能因素有:模型只是大概对土层进行分层 有着相对来说比较复杂的结构 和实际的土层可能存在一定的区别 因此本模型的土层分类在实际建设过程中 由于荷载、温度等有关因素的影响 导致测量数据出现偏差的可能性是存在的 地表沉降变化不同开挖阶段下的地表沉降变化 如图 图 不同开挖阶段下地表沉降变化图针对四种工况的比较 得出实测和模拟的变化曲线在相同工况下的变化趋势是相似的 在 左右出现了最大的沉降 而实测值与模拟值存在一定的差别 但均呈现出同一种变态趋势 即抛物线状 第一道钢支撑变化第一道支撑在不同开挖阶段下的变化见图 所示图 不同开挖阶段下第一道钢支撑的变化情况对比二者钢支撑的数据结果可以得出:()第一道钢支撑的二者数据变化走势大致吻合 轴力在安装第二和第三道钢支撑时不断增九江学院学报(自然科学版)年第 期大 开挖结束时 轴力值基本趋于稳定 没有出现超出预警值的情况 最大实测值是 ()模拟值与实际测量值规律相同 但存在着一定的误差 从图中可以看出 工况四的下一阶段 轴力值发生先增大后减小的变化 可能是现场的机械设备对基坑产生力的增量 使支撑轴力变大所致()模拟数据与实地测量值存在一定的误差但总体变化规律和数值相似 且均未达到预警值 结语通过 软件模拟 结合实地测量资料对比分析 总结出以下结论:()桩的水平位移表现为弓字型变化 两端位移很小 中间位移大 在 之间存在最大的位移变量 地面沉降变形表现为抛物线型的变化趋势 当基坑开挖后边缘 处出现最大沉降 由于开挖深度的不断增大 支撑轴力的变化也随之增加 在开挖至底部时 轴力值开始保持稳定()开挖初始阶段 由于开挖基坑一开始支撑和围护结构受到力的作用 加之基坑开挖的深度不深的缘故 出现土体局部凸起现象 当开挖深度增加到一定程度 应力趋于平衡 该现象渐渐消退 发生较大沉降的位置在边缘 处()安装完成第二、三道支撑后 起到的作用越来越大 支撑轴力变化由基坑开挖开始阶段相对较大到不断减小 某一工况下轴力在同一区间内起伏波动且稳定()现场数值与模拟数值有细微差别 原因可能如下:实际土体不能从模型中完全反映出来结构复杂 深度不同 土体的性质差别 但规律大致相同()将所得地表沉降、桩体水平位移、钢支撑轴力的数据通过数值模拟 得出其发展规律和数值与实测数据相似 未超出预警值 说明可利用 软件对基坑开挖过程进行模拟参考文献:张明聚 李云刚 李方 等.明挖地铁车站围护结构内支撑力学参数研究.北京工业大学学报 ():.吴凤元 樊赟赟 梁力 等.桩钢支撑支护基坑颗粒流数值模拟分析.济南大学学报(自然科学版)():.夏梦然.深基坑基底注浆加固效果数值模拟分析.土木与环境工程学报(中英文)():.任伟明 彭丽云 刘军.邻近地铁车站的基坑开挖基于 ()数值模拟.岩土工程学报 ():.秦胜伍 苗强 张领帅 等.基坑开挖与支撑拆除对周围环境影响的研究.工程地质学报 ():.鲍如意 谢东武.复杂环境下基坑开挖监测和数值模拟研究.现代隧道技术 ():.麻凤海 陈霞 刘增斌.复杂条件下深基坑围护结构变形演化规律研究.广西大学学报(自然科学版)():.王海超 张恒 刘伟生.哈尔滨市某地铁车站深基坑工程监测与数值模拟.施工技术 ():.赵凌云 路威 秦景 等.软土深基坑组合开敞式支护数值模拟与监测分析.水利水电技术 ():.康景文 任新红 刘永红 等.施工环境对膨胀土基坑支护变形影响的模拟分析.地下空间与工程学报 ():.柴海博.深基坑开挖变形监测及数值计算分析.铁道建筑技术 ():.周刚 张丹 商兆涛 等.基坑开挖过程中变形监测预警指标的动态确定.安徽工业大学学报(自然科学版)():.(责任编辑 罗江龙)第 期 李国林:地铁车站深基坑开挖过程变形规律研究