侯玉偉

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司華東工程指揮部,201601,上?！胃呒?jí)工程師)

上海軌道交通異形超深基坑施工過(guò)程數(shù)值模擬分析

侯玉偉

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司華東工程指揮部,201601,上海∥高級(jí)工程師)

利用FLAC3D有限差分法分析軟件,針對(duì)上海軌道交通某開(kāi)挖深度為27 m的異形超深基坑建模計(jì)算;計(jì)算中考慮土、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐體系共同作用,三維計(jì)算模擬分層開(kāi)挖施工工況,并與平面二維計(jì)算進(jìn)行比較;得出了該異形超深基坑的變形計(jì)算結(jié)果和變形控制要點(diǎn)。此類(lèi)基坑使用二維計(jì)算軟件來(lái)模擬的計(jì)算誤差較大,而三維計(jì)算能充分考慮基坑的空間效應(yīng)。該異形超深基坑不同于一般深基坑的變形特性,應(yīng)充分考慮基坑異型帶來(lái)的薄弱點(diǎn),在結(jié)構(gòu)平面的變化點(diǎn)應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)。

異形基坑;超深基坑;模擬計(jì)算

Author's addressEast China Engineering Depatment of the 13th Engineering Bureau Group Co.,Ltd.,China Raillways,201601,Shanghai,China

近年來(lái),隨著城市建設(shè)的發(fā)展,超深基坑的數(shù)量不斷增多。以國(guó)內(nèi)為例,北京國(guó)家大劇院工程基礎(chǔ)埋深最深處為32.5 m,潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋北錨碇基坑平均開(kāi)挖深度達(dá)到48 m,上海軌道交通董家渡修復(fù)工程開(kāi)挖深度達(dá)到41 m,外環(huán)隧道浦西暗埋段基坑、世博變電站等基坑開(kāi)挖深度都達(dá)到了30 m以上[1]。而軌道交通工程,除了常規(guī)的長(zhǎng)條形超深基坑,換乘段等異形超深基坑也不斷涌現(xiàn)。

超深基坑由于開(kāi)挖深度大,坑內(nèi)外的水、土壓力差使基坑周?chē)馏w產(chǎn)生較大的塑性區(qū),將引起基坑變形的加速[2];尤其在開(kāi)挖③、④層土?xí)r,其變形控制對(duì)基坑的整體變形有著重大的影響;而且,異型基坑的空間效應(yīng)明顯,其變形特性較常規(guī)超深基坑更為復(fù)雜。

利用FLAC3D數(shù)值模擬程序?qū)Ξ愋纬罨拥淖冃翁匦赃M(jìn)行了三維模擬計(jì)算,并將結(jié)果與二維模擬數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,以期為研究異形超深基坑的一般規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 模型的建立

1.1 工程概況

本有限元模型來(lái)源于上海軌道交通某盾構(gòu)措施井。該盾構(gòu)井非典型的長(zhǎng)條形基坑,為異形超深基坑;地下三層單跨結(jié)構(gòu),基坑長(zhǎng)度約為74.5 m,寬度約為9.2～18.5 m;基坑周長(zhǎng)約為180 m,面積約1100 m2,開(kāi)挖深度27 m,結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度約5 m,采用明挖順筑法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻,墻厚1.2 m,墻深49 m。南端采用8道支撐,北段采用9道支撐。其中第一道支撐為鋼筋混凝土支撐,并結(jié)合下一層、下二層板(板厚400 mm),其余均為鋼支撐。

1.2 工程地質(zhì)情況

各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.3 計(jì)算模型

該基坑屬于異形基坑,取全結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算模型的尺寸是建模時(shí)必須考慮的因素。當(dāng)基坑邊緣到基坑邊界的距離較小時(shí),所施加的邊界條件會(huì)對(duì)基坑的變形產(chǎn)生較大影響。而較大尺寸的模型會(huì)拖慢計(jì)算速度。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[3-7]的成果,并綜合考慮三維計(jì)算模型的單元數(shù)量、計(jì)算速度和工程實(shí)際情況,模型短邊方向上的墻后距離均采用2倍的開(kāi)挖深度,模型長(zhǎng)邊方向上的墻后距離均采用3倍的開(kāi)挖深度,在豎直方向上的距離采用約3倍的開(kāi)挖深度。最終模型的尺寸為196 m×180 m×80 m(長(zhǎng)×寬×高)。模型邊界兩側(cè)施加水平方向的約束,底部施加豎直方向的約束。計(jì)算模型圖和支撐體系布置圖如圖1、圖2。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.4 施工工程的模擬

有限元模擬與實(shí)際工程相同,采用順筑法施工方案。在模型豎直方向上采取開(kāi)挖一層土,施工一道撐(板)的工況。具體工況見(jiàn)表2。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型圖

圖2 支撐體系布置圖

表2 計(jì)算模型開(kāi)挖工況表

1.5 基本計(jì)算假定

(1)在計(jì)算中不設(shè)置土層水頭,不考慮土中的水壓力;

(2)不考慮滲流與基坑變形的耦合作用;

(3)假設(shè)模型中的土層為均質(zhì)土層,將①1層、②1層土合并為①層土,最終土層模型剖面圖如圖3。

2 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果共分析了6個(gè)不同位置的斷面,分別為 1-1斷面、2-2斷面、3-3斷面、4-4斷面、5-5斷面、6-6斷面。斷面簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖4。

2.1 二維數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖5為采用某二維有限元模擬軟件在各工況下2-2斷面測(cè)斜計(jì)算結(jié)果。與實(shí)測(cè)數(shù)比較,兩者雖在變形形狀上基本一致,但在變形趨勢(shì)存在不同:二維數(shù)值模擬圍護(hù)墻體有撐部位在進(jìn)一步開(kāi)挖之后不再變形,而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上部有撐部位存在一定向坑內(nèi)發(fā)展的變形。這是因?yàn)槎S數(shù)值模擬計(jì)算采用平面應(yīng)變模型,適用于一般對(duì)稱(chēng)的長(zhǎng)條形基坑,而本文的異形基坑兩側(cè)圍護(hù)墻體受力并不均勻。因此,使用三維數(shù)值模擬較二維計(jì)算更符合實(shí)際情況。

圖4 模型斷面簡(jiǎn)圖(單位:mm)

圖5 測(cè)斜二維數(shù)值計(jì)算變形結(jié)果

2.2 三維數(shù)值模擬結(jié)果與對(duì)比

圖6為基坑各個(gè)斷面的變形在所有工況下的三維計(jì)算結(jié)果。從圖中可知:1-1斷面測(cè)斜值較二維數(shù)值模擬結(jié)果更為接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其有撐部位并不是隨著開(kāi)挖的進(jìn)行向坑內(nèi)位移,反而發(fā)生負(fù)位移即向坑外移動(dòng)。與之相應(yīng)的2-2斷面有撐部位卻有較大的向坑內(nèi)位移趨勢(shì),如:第一道撐處1-1斷面的變形從15 mm降為5.6 mm,減少了9.4 mm;而2-2斷面的變形從11.2 mm增加為21.2 mm,增量為10 mm。

由于基坑平面的異型,支撐長(zhǎng)短不一,其剛度各不相同;同根支撐和圍護(hù)墻交角不同,抵抗圍護(hù)變形的剛度貢獻(xiàn)也不一致,導(dǎo)致圍護(hù)墻體的受力和變形各不相同。在每個(gè)開(kāi)挖工況的初始,該基坑圍護(hù)所受土壓并不均衡,圍護(hù)有向東位移的趨勢(shì)。通過(guò)土體-圍護(hù)墻-支撐體系共同作用,整個(gè)體系最終平衡。通過(guò)三維計(jì)算,能發(fā)現(xiàn)支撐平面布置的薄弱點(diǎn),可以有效地避免工程風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)異型基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力與變形和二維平面應(yīng)變問(wèn)題的計(jì)算假定有本質(zhì)不同,空間效應(yīng)明顯。對(duì)于此類(lèi)基坑使用二維計(jì)算軟件來(lái)模擬的計(jì)算誤差較大,而三維計(jì)算能充分考慮基坑的空間效應(yīng)。

(2)異型基坑的內(nèi)支撐體系布置應(yīng)充分考慮基坑異型帶來(lái)的薄弱點(diǎn),在結(jié)構(gòu)平面的變化點(diǎn)(特別是內(nèi)凹點(diǎn))應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)。

(3)該異型超深基坑開(kāi)挖深度大,對(duì)周邊環(huán)境易產(chǎn)生較大影響;而2層樓板形成的框架體系約束作用明顯,對(duì)控制圍護(hù)變形提供了有利條件,可供其它異型基坑設(shè)計(jì)參考。

圖6 各個(gè)斷面測(cè)斜曲線圖

[1]趙錫宏,楊國(guó)祥.大型超深基坑工程實(shí)踐與理論[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1996.

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Analog Analysis of the Numerical Value of Difform Deep-pit Engineering in Shanghai Metro

Hou Yuwei

In this paper,a software of finite differential method FLAC3D is used to simulate a difform ultra-deep foundation pit of Shanghai metro,the excavation depth is 27 m.Considering the interactions between the soil,structure and level support,a three-dimensional finite element model will simulate the layered excavation and is compared with the two-dimensional plane calculation.At last,the general deformation laws of difform ultra-deep excavation are obtained,which show that the control points of deformation and the deformation characteristics of difform ultra-deep foundation pit are different from those of the conventional pit.

difform pit;ultra-deep pit;simulated calculation

T U 473.2

2010-01-20)