地铁车站深基坑伺服支撑体系数值分析与监测.pdf

江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤地铁车站深基坑伺服支撑体系数值分析与监测周游1袁唐铮铮2袁孙小莉2袁刘鹏飞1袁蒋刚2渊1上海隧道工程有限公司袁上海 200032曰2南京工业大学交通运输工程学院袁江苏南京 210009)摘要地铁车站深基坑往往采用多层尧非对称布置的复合支撑体系遥 为深入探究车站深基坑开挖过程中围护结构及周边土体的变形机理袁根据南京三山街地铁站深基坑支护方案袁利用 ABAQUS 软件对基坑开挖-支撑全过程进行三维数值模拟遥 计算各步土方开挖造成的围护结构侧移尧周边地表沉降及伺服钢支撑轴力袁并与施工监测数据进行对比遥结果表明院计算围护结构最大侧移量约 55 mm袁数值大小和分布情况均与监测数据吻合袁该侧移量接近规范中的支护结构侧移报警值袁是基坑支护方案的主要控制因素曰地表沉降计算值最大约为 20 mm袁分布情况与实测沉降相同袁绝对数值小于实测沉降袁可能与建模时未考虑周边环境荷载有关曰数值计算得到的钢支撑轴力小于实测值袁且两者均显著小于钢支撑容许轴力遥关键词地铁车站曰深基坑曰变形控制曰三维数值模拟曰伺服支撑中图分类号TU473.2文献标志码 A文章编号1005-6270渊20圆3冤03-0105-05Numerical Analysis and Monitoring of Servo Support System in Deep Foundation Pit ofMetro StationZHOU You1TANG Zhengzheng2SUN Xiaoli2LIU Pengfei1JIANG Gang2渊1.Shanghai Tunnel Engineering Co.,Ltd,Shanghai 200032 China曰2.College of Transportation Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing Jiangsu 210009 China冤Abstract院The deep foundation pit of subway station usually adopts multi-layer and asymmetrical compositesupport system.In order to further explore the deformation mechanism of the retaining structure andsurrounding soil during the excavation of deep foundation pit of the station,according to the deep foundationpit supporting scheme of Nanjing Sanshan Street subway station,ABAQUS software was used to conduct three-dimensional numerical simulation of the whole process of excavation and support of foundation pit.The lateralmovement of the retaining structure,the settlement of the surrounding surface,and the axial force of the servosteel support caused by each earthwork excavation were calculated and compared with the constructionmonitoring data.The results show that the calculated maximum lateral displacement of the retaining structure isabout 55mm,and the value and distribution are consistent with the monitoring data.The lateral displacement isclose to the lateral displacement alarm value of the supporting structure in the code,which is the main controlfactor of the foundation pit supporting scheme.The calculated value of surface settlement is about 20mm,andthe distribution is the same as the measured settlement,but the absolute value is less than the measuredsettlement,which may be related to the failure to consider the surrounding environmental load in the modeling.The axial force of steel bracing obtained by numerical calculation is less than the measured value,and both ofthem are significantly smaller than the allowable axial force of steel bracing.Key words院 subway station;deep foundation pit;deformation control;three-dimensional numerical simulation;the servo support收稿日期圆园22鄄11鄄22作者简介周游袁男(1986-)袁上海隧道工程有限公司袁高级工程师袁主要从事地铁工程建设技术管理与研究工作遥通讯作者蒋刚袁男(1971-)袁南京工业大学交通运输工程学院袁教授袁主要从事土力学与基础工程尧地下空间开发工作遥105江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤图 1基坑三维数值模型0引言近年来袁 随着城市轨道交通网络逐渐密集完善袁新建地铁车站基坑向更深尧更大发展袁支撑体系也更加复杂遥 由于地铁车站基坑开挖面积较大尧深度较深袁 稍有不慎就会发生严重的变形失稳事故袁影响基坑本身及周边建筑物的安全遥 如何选择合理的支护尧支撑结构袁有效控制基坑变形袁保证支护尧支撑结构的安全袁成为目前城市地下空间领域的研究重点遥 针对复杂基坑支护方案的分析研究袁主要有理论分析尧现场检测及数值模拟等方法遥理论分析方面袁张佳莉1针对苏州地区软土深基坑围护结构研究了地连墙支护深基坑的变形规律袁 总结了国内外计算坑底抗隆起稳定性的常用方法袁 并提出考虑基坑开挖宽度影响在内的计算改进方法遥 现场监测方面袁李淑等2通过统计北京地铁 30 个明挖车站实测数据袁发现北京地区深基坑开挖引起的典型特征袁 以防止基坑事故遥 谢锡荣尧王立峰等3总结金华地区基坑监测数据袁归纳关于土岩组合地质条件下的地表沉降曲线与基坑侧向位移曲线特点遥 数值模拟方面袁叶帅华尧丁盛环等4利用 PLAXIS 2D 软件模拟兰州市某地铁站基坑开挖袁 分析钻孔灌注桩联合钢管内支撑结构的可行性遥雷霆等5利用 ABAQUS 软件分析郑州市如意湖北站基坑开挖时的钢支撑轴力袁 并提出预加轴力为 0.2耀0.3 倍设计轴力标准值更为合理遥可以看出袁深基坑开挖现场监测工作越来越受到人们的重视遥 有限元模拟与实际监测相结合的方法能够在快速模拟土体开挖过程的基础上袁全面系统地反映基坑整体的变形特点袁在基坑支护设计和施工各阶段建立有效的评估方案遥文章以南京市三山街地铁站为工程实例袁利用 ABAQUS 3D 有限元软件袁对基坑开挖全过程进行数值模拟袁具体研究基坑围护结构侧向位移尧基坑周边土体沉降以及伺服钢支撑轴力等问题遥 将数值计算结果与后续现场实测数据进行对比袁验证模型的可靠性遥 分析数值计算结果尧现场实测和规范中的控制标准袁 确定该基坑支护设计中的主要控制指标袁为后续类似基坑工程提供参考遥1工程概况南京市三山街地铁车站位于建康路与中山南路交叉以东袁 沿建康路布置遥 车站起止里程为YK24+826.395YK24+993.395袁 全长约 167 m袁为既有三山街地铁 1 号线的换乘车站袁施工采用半盖挖顺作法遥基坑形状规则袁端头井宽 27.5 m袁标准段宽 23.4 m袁开挖深度为 26 m遥三山街地铁站位于南京市繁华地段袁周边分布建筑物较多袁施工环境条件复杂遥 因此袁应采取安全可靠的支护措施袁施工中应进行监测袁保证其安全使用遥主体基坑支护为地下连续墙与水平支撑相结合形式袁地下连续墙高 40 m袁宽 1.2 m袁水平支撑共6 道院第 1尧第 6 道支撑为混凝土支撑袁第 2尧第 3尧第4尧第 5 道支撑为钢支撑遥 各层支撑深度院16 道分别为 2 m尧8 m尧11.5 m尧15.5 m尧19.5 m尧21.5 m遥2ABAQUS 数值模拟2.1数值建模文章利用 ABAQUS 3D 软件建立基坑开挖数值模型袁其边界由基坑开挖的影响范围给定袁而基坑开挖的影响范围取决于基坑的几何形状尧开挖深度尧土质条件等多种因素袁一般模型尺寸沿基坑开挖水平方向不小于基坑设计深度的 3 倍袁沿深度方向不小于基坑设计深度的 2 倍6袁考虑对周围的影响作用袁因此袁取模型几何尺寸为 400 m伊200 m伊80 m渊长伊宽伊高冤遥 基坑三维数值模型如图 1 所示遥2.2材料基本力学参数及本构模型选取基坑内场地土层主要分为杂填土尧粉土尧粉砂尧粉质黏土等袁 基坑坑底基本位于淤泥质土层内袁围护结构插入基岩遥 根据地质勘察报告袁将场地土层基本力学参数列于表 1 中遥 其中袁土体均采用摩尔库伦本构模型模拟其力学行为袁地连墙与内支撑结构采用线弹性模型遥2.3边界及荷载处理综合考虑到土体的实际特性与墙土之间的关系袁设定模型的边界条件遥模型底部全固定袁四周仅放开竖向约束遥此外袁地连墙与土体尧内支撑与地连墙之间仅采用绑定(Tie)约束遥2.4 开挖过程模拟工程实际施工以分步开挖尧先撑后挖尧严禁超106江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤挖为原则袁 将基坑开挖与加支撑全过程分解为 16步骤袁如表 2 所示遥 根据各个步骤可计算得到每步施工工况下地下连续墙尧基坑周边土体尧支撑尧立柱等部件的位移及内力变化情况遥3计算结果与分析对照现场监测布置图袁分别在开挖区段上选取与监测点位置大致相对应的两个断面进行与数值模拟结果间的对比分析遥 依次为 1原1尧2原2袁如图 2所示遥 其中 1原1 断面位于标准段中间位置袁距离西侧端头井约 83.5 m曰2原2 断面位于东端头井位置袁距离西侧端头井约 153 m遥3.1 围护结构侧位移量分析图 3 为断面 1-1尧2-2 处地连墙侧向位移随开挖分析步的变化情况遥 由图可知袁随着基坑开挖深度的不断增加袁 整体变形呈半月形的变化趋势袁且端头井处侧移量小于标准段处侧移量遥支撑作用处在后续开挖过程中变形增量较小袁如 zc2 位置在 w3 及以后各工况下基本没有变形增量遥 可见支撑对控制侧墙后续变形具有明显效果遥尽管施加了 6 道支撑袁本基坑的最大计算和实测侧移达到了基坑开挖深度的 0.2%袁 已经接近于国标 叶建筑基坑工程监测技术标准曳渊GB 50497要2019冤中 0.3%的地连墙水平位移监测预警值7遥 而上海市地方标准中的地连墙侧向位移报警值仅为0.18%袁本基坑最大设计和实测位移均达到该报警值标准遥因此地连墙侧向位移是本基坑支护设计中的重要控制指标遥从数值计算有效性来看袁地连墙侧移模拟值与实测值变化趋势类似袁数值接近袁侧移最大值及最大值所处位置均与实测值吻合较好袁说明该三维数表 1土体基本力学参数材料厚度/m深度/m重度/渊kN/m3冤泊松比弹性模量/MPa摩擦角/毅内聚力/kPa杂填土流塑淤泥尧淤泥质填土松散耀稍密粉砂淤泥质粉质黏土尧粉质黏土夹粉砂软耀可塑粉质黏土粉质黏土夹团块状粉细砂软耀可塑含卵砾石粉质黏土渊混中粗砂冤强风化泥岩尧粉砂质泥岩尧泥质粉砂岩中风化泥岩尧粉砂质泥岩尧泥质粉砂岩33.55.5144554036.512263035408018.417.31917.819.720.320.521.523.70.350.430.30.420.320.200.300.280.28181622143025301 120900108151519233015121010242220表 2基坑开挖施工步骤序号分析步计算内容对应工况123456地应力平衡施加地连墙以及立柱桩移除第 1 层土体激活第 1 层支撑按顺序移除第 26 层土体尧激活 26 层支撑移除第 7 层土体对土体施加重力袁进行场地的地应力平衡移除支撑体系袁施加地连墙和立柱桩重力挖去 3 m 厚的土层施加第 1 道混凝土支撑挖去土层至设计标高尧激活该层支撑挖去 4 m 厚的土层土层天然固结围护结构和立柱桩的施工土体开挖施工第 1 道支撑土体开挖尧施工支撑土体开挖图 3地连墙深度-水平位移变化曲线图 2基坑关键断面注院图中 geo 代表地应力平衡分析步曰wi 表示所选断面第 i 层开挖后曰zcn 表示架设的第 n 道支撑的竖向位置遥 图中实测值代表开挖至坑底时的地连墙监测位移袁即与模拟值 w7 对应遥 下图同遥渊a冤断面 1-1渊标准段中部冤渊b冤断面 2-2渊端头井冤107江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤值模拟具有较高的可信度遥3.2周边土体沉降分析基坑开挖时袁 外侧地连墙向基坑内部挤压袁周边土体也随之内移袁从而造成沉降遥 基坑长边和短边中点处的地表沉降曲线如图 4 所示遥 根据图 4可知袁 基坑的开挖深度对周边的影响主要在距离40 m 的范围内遥基坑开挖较浅且尚未设置支护结构时袁通常为三角形沉降袁沉降的最大值位于墙边遥 随着开挖深度不断增加袁 地表沉降形态逐渐转变为抛物线型遥标准段处最大沉降量出现在距基坑边 15 m 左右的位置袁约 20 mm曰而端头井处最大沉降量则出现在距基坑边 18 m 左右袁约 10 mm遥因此袁在施工过程中袁应重点关注标准段处的沉降遥 当距基坑边距离为 0.5 倍基坑开挖深度时袁地表沉降不断增大曰当距基坑边距离为 0.5耀1.0 倍基坑开挖深度时袁地表沉降达到最大值曰当距基坑边距离大于 2.0 倍基坑开挖深度时袁地表沉降逐渐趋于 0遥地表沉降最大值位置与现场实测值位置相同袁但是模拟值约为实测值的 0.5 倍袁推测其原因可能是地质水文条件袁 基坑南侧 20 层尧22 层大楼的重力荷载影响袁以及现场大型机械车辆影响等多重因素所致遥总体看来计算及实测沉降均未超过国标和地方标准中的预警值遥3.3伺服钢支撑轴力分析本车站基坑的内支撑采用了混凝土支撑+钢支撑的支护形式袁 其中钢支撑又分为普通钢支撑和伺服钢支撑两种形式遥伺服钢支撑技术袁通过输入轴力与位移控制值袁可实现自动化监测袁自动保压尧加压袁从而保证基坑及周边建筑物处于安全稳定状态遥断面 1-1 处伺服钢支撑轴力变化与实测值对比如图 5 所示遥 数值计算工况下袁开挖到指定标高并设置该层支撑后袁 支撑上作用的初始轴力较小袁在开挖相应的下一层土时袁 支撑轴力增幅较大袁随着基坑开挖的进行增幅逐渐减小袁 最后都达到稳定遥 而实测支撑轴力往往在设置支撑时就较大袁后续变化较小遥 由图 5 可见袁钢支撑最终轴力模拟值均小于实测值遥 考虑是伺服钢支撑施工比较保守袁人为预加轴力较大遥 根据截面几何特征及材料特性袁计算得到钢支撑容许轴力约为 6 786 kN遥 钢支撑轴力实测值显著小于容许轴力遥第 2尧第 3尧第 5尧第 6 道伺服钢支撑实测轴力分 别 为 容 许 轴 力 的 51.58%尧58.94%尧41.26%尧57.47%袁各支撑材料强度均具有明显富余遥 由于支护结构侧向位移基本达到规范预警值袁也不具备进一步削减支撑材料截面强度的空间遥图 4基坑截面地表沉降曲线108江苏建筑圆园23 年第 3 期渊总第 228 期冤3结语某工程长江盾构穿越段取得了成功袁创下了我国乃至世界小直径常压刀盘盾构隧道技术先河袁今后较长时间内袁 盾构隧道仍将处于高速建设发展期袁面临的建设条件将越来越复杂袁技术难度和挑战也越来越大袁需要在设计尧施工尧装备尧材料尧管理等方面不断完善和创新袁实现自主设计制造盾构主轴承尧减速机关键核心部件和自主设计软件袁促进我国盾构隧道向高质量尧高智能尧高安全性尧低能耗方向发展遥参考文献1 谭顺辉.隧道掘进机多功能化及智能化的发展与推广J.隧道建设(中英文)袁2020袁40(09):1243-1250.2代洪波袁季玉国.我国大直径盾构隧道数据统计及综合技术现状与展望J.隧道建设(中英文)袁2022袁42(05):757-783.3李迎春袁顾龙强.富水砂层盾构隧道一种留置盾尾的接收工艺J.中国市政工程袁2021渊06冤院115-119+133.4结语文章以南京市三山街地铁车站深基坑工程为研究对象袁利用 ABAQUS 3D 有限元软件进行基坑开挖全过程数值模拟袁 并与现场实测数据进行对比袁分析基坑开挖引起的围护结构尧周围地表沉降和支撑轴力情况遥 具体结论如下院渊1冤数值计算表明袁围护结构最大侧移量约为55 mm袁 位于墙顶下方 0.70.8H 渊H 为基坑深度冤处袁数值计算结果与现场监测数据吻合较好袁该侧移量接近规范中的支护结构侧移报警值袁是该基坑支护方案的主要控制因素遥渊2冤地表沉降最大值约为 20 mm袁位于基坑连续墙外 0.5H 处袁与实测位置相同袁而实测最大沉降约为 35 mm袁明显大于数值计算结果袁可能与建模时未考虑周边道路车辆荷载及基坑南侧高层建筑物重力荷载等因素有关遥渊3冤伺服钢支撑轴力计算值小于实测值袁考虑是伺服钢支撑施工比较保守袁预加轴力较大遥 钢支撑轴力计算及实测值均显著小于容许轴力遥支撑材料强度略有富余袁在该基坑支护中不起控制因素遥该研究表明袁考虑多层支撑方案的三维数值模型有效预测了深基坑支护结构的侧移遥由于侧移量是基坑支护中的主要控制因素袁三维数值分析对基坑支护方案设计具有重要参考价值遥 而沉降尧伺服支撑轴力受到周边环境和人为控制等影响比较明显袁三维数值计算结果仍有较大误差袁后续研究应考虑周边环境荷载等因素的影响袁进一步改善数值模型的预测效果遥参考文献1 张佳莉.苏州地区软土深基坑围护结构变形特性及稳定性研究D.苏州:苏州大学袁2020.2 李淑袁张顶立袁房倩袁等.北京地铁车站深基坑地表变形特性研究J.岩石力学与工程学报袁2012袁31渊01冤院189-1983 谢锡荣袁王立峰袁韦康袁等.土岩组合地层地铁深基坑开挖性状分析及预测J.地下空间与工程学报袁2020袁16渊增刊一冤院247-254.4 叶帅华袁丁盛环袁龚晓南袁等.兰州某地铁车站深基坑监测与数值模拟分析J.岩土工程学报袁2018袁40渊增刊一冤院177-182.5 雷霆袁宋建学袁丁保华袁等.地铁车站基坑钢支撑预加轴力幅度研究J.地下空间与工程学报袁2021袁17渊01冤院195-203.6 谢乐袁钱德玲袁杨罡袁等.合肥地区地铁车站深基坑稳定性分析J.合肥工业大学学报(自然科学版)袁2019袁42渊11冤院1530-1535.7 建筑基坑工程监测技术标准院GB 50497要2019S.北京院中国计划出版社袁2019.图 5断面 1-1 处伺服钢支撑轴力变化曲线渊上接第 72 页冤109