深基坑开挖对既有地铁车站结构影响的数值仿真分析.docxVIP

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深基坑开挖对既有地铁车站结构影响的数值仿真分析

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摘要：随着城市建设规模的不断扩大，轨道交通及市政房建行业也迎来蓬勃发展，随之而来的大量新建的深基坑工程临近地铁车站、地铁区间盾构隧道的情况也屡见不鲜，后开挖深基坑通过改变地铁车站、地铁区间隧道等结构外部环境条件，对其安全势必会产生一定的影响。本文以深圳前海地区某地下深基坑工程为对象，通过MIDAS软件建立三维数值模拟并进行仿真分析，基于此进行地下深基坑开挖对地铁车站、地铁区间隧道等结构的受力状态、安全性影响分析。通过分析基坑以及地铁车站的位移和弯矩，得知基坑开挖对地铁车站结构的刚体位移产生一定的影响，对于日后类似工程具有借鉴意义。

关键词：深基坑开挖、地铁车站、结构影响、数值仿真分析

1、前言

近些年来，随着众多城市轨道交通工程项目、超高层房建项目的落地实施，地下深基坑工程随之也不断涌现，而位于地铁车站、隧道附近或者地铁保护区范围内的地下深基坑工程会使得地铁车站和隧道区域受力平衡状态被打破，导致外部应力体系重新分布，进而使地铁车站及隧道产生了内力变化和相应变形。针对基坑开挖对既有车站结构影响这一问题，由于基坑边界条件过于复杂，采用解析方法是很难求解出深基坑开挖对既有车站结构的影响，但数值仿真分析方法则能合理评估基坑开挖对地铁车站结构的影响，并依托其自身的这一特点优势在此领域得到了广泛的利用。

本文则根据实例通过MIDAS软件建立受力模型，并进行深基坑开挖对地铁车站结构受力状态及安全性影响性分析。某项目位于深圳前海区域，地质条件比较差，因此该基坑设计要求较高。该项目考虑到了基坑周边围护桩影响，利用三维有限元分析，深刻研究了基坑开挖对既有地铁车站结构的影响，以为日后类似工程提供好的借鉴意义。

2、工程概况

2.1工程介绍

某拟建项目位于深圳市前海区域，共分为三个地块，分别为A办公楼、B办公楼及酒店地块。两栋办公楼基坑开挖深度约为22m，酒店地块基坑开挖深度约18m，整个地块基坑周长约为765m，基坑开挖面积约16500㎡。本项目基坑的支护形式为“荤素咬合桩+钢筋砼支撑”，其中支护桩桩径1200mm，间距900mm，咬合300mm。A办公楼和B办公楼支护范围设置4道支撑，酒店设置3道支撑。

2.2工程场地地层条件

该项目分析土层包括杂填土、淤泥、黏土、粗砂、砂质粘性土、全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩等。由于该项目中弹性模量并没有具体的数值，但参考附近地区大量的压板试验和工程实践分析，得出该地区土层的变形模量取值依次为：20、5、40、45、50、120、400（单位MPa）。

3、三维仿真模拟分析

3.1基坑支护方案

该工程三个基坑施工方法均为顺作法，采用刚度等价原理，将咬合桩围护结构等刚度为连续墙，等效后的连续墙厚度为900mm，在邻近基坑一侧对基坑围护桩进行加固，在钻孔灌注桩外侧加一排围护桩，进行刚度等价后得到等价后的连续墙厚度为1.7m，办公楼基坑采用四道钢筋混凝土支撑，酒店办公楼基坑采用三道钢筋混凝土支撑。三个基坑的支撑布置形式及截面尺寸如下表1所示。

表1支撑布置及截面尺寸

项目

中心标高m

围檩mm/mm

支撑mm/mm

连杆mm/mm

第一道支撑

+5.5

1.0/0.8

1.4/1.0

1.0/1.0

第二道支撑

+0.1

1.0/0.8

1.4/1.0

1.0/1.0

第三道支撑

-5.3

1.0/0.8

1.4/1.0

1.0/1.0

第四道支撑

-9.3

1.0/0.8

1.4/1.0

1.0/1.0

本项目为了项目进度和施工便利性，将柱下钻孔桩用竖向约束进行替代，可以起到类似的效果。

3.2数值模拟方案

根据弹性力学中的圣维南原理，本项目选取的模型尺寸为基坑开挖部分尺寸的3倍范围，即为：384m*404m*70m。计算模型中上边界约束条件为自由边界，底部约束条件为全约束，而所选模型侧向为基坑方向的水平约束。

模型中的单元网格全部采用混合网格单元，单元总数为36万。基坑水平支撑采用梁单元模拟，支撑竖向立柱、车站底部抗拔桩均采用桩单元模拟、土体采用Mohr—Coulomb弹塑性模型；车站主体结构、地下室结构、地下连续墙围护结构、立柱均采用线弹性模型，具体网格划分如图1所示。

图1结构计算模型网格图

由于在基坑东侧存在临海大道隧道，因此对于隧道在初始应力场分析后进行修建，这些都是场地初始存在的，在此基础上对原有位移进行清零，然后对施工各个阶段对应的工况进行分析。

施工阶段依次为：基坑周边基坑深度范围内加超载，进行咬合桩施工→依次开挖，浇筑冠梁，施工支撑、围檩→开挖至基坑底部，浇筑地下室底板→依次拆除各道支撑，并浇筑对应的地下室底板。

3.3数值模拟计算结果分析

图2为基