明挖法地铁车站基坑支护结构工况对比模拟与分析

1、明挖法地铁车站基坑支护结构工况对比模拟与分析摘要：以长沙溁湾镇车站基坑支护结构方法为研究对象，采用有限元分析软件MIDAS-GTS模拟分析不同工况，研究不同基坑设计工况基坑变形和支护结构内力变化情况，对基坑设计工况方案进行优化，得出结论并提出建议。关键词：基坑支护 模拟 对比 优化Simulation and Analysis on Comparative Conditions of Open-cut Method Subway Station ExcavationsAbstract :Based on Changsha RongWanzhen station excavations method，using finite element analysis software MIDAS-GTS to simulate and analyse different conditions to study the different design conditions of excavation about pit deformation and internal forces change

2、 of support structure，to optimize the program of the base pit design conditions and ,draw conclusions and make recommendationsKey words:foundation-pit supporting；simulation；contrast；optimization溁湾镇站是长沙地铁2号线一期工程最长地铁站之一，车站长度有258米，包括车站与车站停车线区间。溁湾镇车站位于长沙市枫林一路与溁湾路交叉路口，隶属长沙市轨道交通2号线一期工程SG-3标段。车站采用明挖法施工，车站基坑支护结构对整个工程的造价施工与安全有密切影响，因此本报告针对溁湾镇车站基坑工程的具体地质情况与施工情况，采用有限元软件MIDAS-GTS进行仿真模拟分析，对基坑支护设计工况进行优化分析。1 基坑支护设计工况比选地铁车站通常建设在城市中心附近，此处人流量大，交通发达，周围高层建筑物众多，因此车站基坑开挖对路面位移和周围建筑物产生密切影响，因此基坑支护设计更为重要。车站采用明挖发，地下连续墙作为支护

3、结构，而地下连续墙与直撑、立柱、纵向横梁构成一个支护体系。不同的支护形式对支护体系的影响不同，对施工经费与施工工期以及工程安全性产生的影响也不同，通过不同支护形式的对比可以进行优化。本报告中对两种基坑支护设计工况进行对比，第一种是设计工况（连续墙插入底板下6m，支护形式为直撑+立柱+纵向横梁），第二种是对比工况（连续墙插入底板下6m，支护形式为直撑+纵向横梁）。2 模型建立2.1 建模假设与原则在建模时，有如下假设：忽略连续墙分幅引起的刚度的变化，土层参数按水平分层考虑，混凝土材料和钢支撑材料均按线弹性考虑；在建模时，有如下原则：考虑到计算模型的单元数过多导致计算速度缓慢，故在满足计算精度要求和可以得到有效结论的条件下，应尽量减少模型单元总数，以加快数值模型的计算，从而节省大量计算时间。2.2 模型参数模型中岩土和结构部分的具体参数见表1和表2所示：表1 模型中岩土土层参数分类厚度(m)重度(kN/m3)弹性模量(MPa)粘聚力(kPa)摩擦角(度)杂填土4.519252020粉质粘土5.520402525断层角质岩50241204032表2 模型中结构参数分类几何属性(m)重度(kN

4、/m3)弹性模量(MPa)混凝土支撑1.00.62430000钢管支撑0.609，厚t=0.01678.5210000连续墙/底板厚1m2430000横梁0.50.52430000立柱0.3，厚t=0.0178.52100002.3 模型建立 车站基坑设计开挖宽度为23.1m，根据有限元分析知识，基坑开挖对周围土体和建筑物的影响的区域大致为35倍开挖宽度，现取有限元模型的宽度为100m，813轴线之间的间距为6m，取5跨进行计算，故模型的长度为30m，基坑开挖深度21.75m，数值计算模型总高度为57m。最后，模型整体尺寸为30m100m57m(长宽高)。车站基坑一共分五层开挖，每层开挖深度依次为：2.85m，5.4m，5.4m，3.7m，4.4m。一共采用四道支撑，其中第一道支撑为混凝土支撑，第二道至第四道为钢管支撑，连续墙厚度为1m。数值模型中施工阶段的模拟，MIDAS GTS中隧道(基坑)开挖的施工阶段步骤如下所示：(1)原场地应力(自重应力+构造应力)，本报告只考虑自重应力(2)开挖第一段(层)(3)支护第一段(层) + 开挖第二段(层)(4)支护第二段(层) + 开挖第三段(

5、层) MIDAS GTS模拟开挖施工步骤见表3表3 MIDAS GTS 模拟开挖施工步骤施工步骤施工描述第一施工阶段地应力平衡第二施工阶段施工地下连续墙第三施工阶段第一次开挖第四施工阶段第二次开挖+第一道支撑第五施工阶段第三次开挖+第二道支撑第六施工阶段第四次开挖+第三道支撑第七施工阶段第五次开挖+第四道支撑第八施工阶段施作基坑底板地应力包括自重应力和构造应力，对于长沙地区的地基土，一般可以不考虑构造应力的影响，在数值计算中可以只考虑土的自重应力。建立土体模型时，由于在自重的作用下土体将产生一定的沉降量，但是地基土在历史上已经沉降完成，故应该将地基土的沉降置零，并计算地基土的自重应力。使用MIDAS/GTS计算模型土体的自重应力云图如图1所示。图1 地应力计算(沉降置零)3 数值分析计算结果根据四种工况的有限元计算结果，可知支护结构的轴力、弯矩，基坑开挖引起的地表沉降、坑底隆起以及连续墙的应力值等参数的值均随着基坑开挖深度的增加逐渐增大。故在比较两种工况的参数值均以最后一次开挖的结果值进行比较。3.1 支撑轴力图与计算结果分析图2图6为设计工况基坑支护结构四道直撑、立柱和横梁的轴力和弯

6、矩图。本报告给出的内力和位移云图均为各施工阶段中的最大值，下同。图2 四道直撑x方向的最大轴力(设计工况) 图3四道直撑y方向的最大弯矩(设计工况)图4 立柱x方向的最大轴力(设计工况) 图5 横梁x方向的最大轴力(设计工况)图6 横梁y方向的最大弯矩值(设计工况)图7图10为对比工况基坑支护结构四道直撑、横梁的轴力和弯矩图。图7 四道直撑x方向的最大轴力(对比工况) 图8 四道直撑y方向的最大弯矩(对比工况)图9 横梁x方向的最大轴力(对比工况) 图10 横梁y方向的最大弯矩值(对比工况)表4 两种工况各道直撑最大轴力(拉力为正，压力为负)Fx(kN)设计工况对比工况第一道直撑-473-734第二道直撑-1213-1099第三道直撑-1111-1053第四道直撑-736-712表5 两种工况混凝土道直撑最大正(负)弯矩My(kNm)设计工况对比工况第一道直撑+648（直撑端部上侧受拉）+421（直撑跨中上侧）-1366（立柱与直撑交接处）-953（直撑端部下侧受拉）对于设计工况，最大轴拉力为148kN(第一道混凝土直撑)，第二至第四道钢管直撑均受压力作用，钢直撑的最大轴压力为1213

7、kN。四道直撑的最大弯矩值为1366kNm，最大弯矩出现在混凝土直撑的下边缘侧，这是由于立柱的支撑与混凝土支撑连接在一起，在基坑底部土体隆起的影响下，立柱上抬，提供给混凝土支撑向上的反力，使混凝土的支撑负弯矩值增大。立柱的最大轴压力为753KN；横梁的最大轴力(拉力)为5.06kN，产生拉力的主要原因是由于基坑土体的开挖卸载作用，使得连续墙向基坑内变形，直撑受压变形导致横梁受拉，但横梁拉力值较小；由于直撑和立柱的作用，横梁与立柱接触处最大负弯矩为-11.01 kNm，立柱与立柱之间的横梁最大正弯矩为4.21kNm。由有限元结果分析可知，设计工况中立柱和横梁的轴力以及弯矩值都比较小。 对于两种工况，第二、三、四道直撑的轴力值基本相当，而第一道直撑在设计工况情况下的轴压力明显要小于对比工况所产生的轴压力，但是弯矩值却要大于对比工况所产生的弯矩值。这说明，在不考虑立柱支撑的情况下，钢支撑受的轴压力变化较小，而第一道混凝土直撑的轴压力和弯矩值变化较大，变化的趋势为混凝土直撑的轴压力减小，弯矩值增大。3.2基坑开挖引起的地表位移和坑底隆起图11图14为设计工况和对比工况地表位移和坑底隆起位移云图

8、。图11 基坑X方向的最大位移(设计工况) 图12 基坑X方向的最大位移(对比工况)图13 基坑Z方向的最大位移(设计工况) 图14 基坑Z方向的最大位移(对比工况)3.3 连续墙位移和内力图图15图18为设计工况和对比工况基坑连续墙位移和内力图 图15 连续墙X方向的最大位移(设计工况) 图16 连续墙X方向的最大位移(对比工况) 图21连续墙最大主拉应力(设计工况) 图22 连续墙最大主拉应力(对比工况)表6 两种工况地表位移、坑底隆起以及连续墙内力和位移的最值设计工况对比工况地表x向位移（mm）4.995.60坑底隆起（mm）37.7937.84连续墙x向位移（mm）4.814.81连续墙最大主拉应力（Mpa）1.571.61由表6数据和前述相关位移和连续墙的应力云图可知，两种工况条件下，连续墙最大主拉应力变化指标相差不大，基本都在可控安全范围之内。4 结论和建议4.1 结论（1）根据两种工况的有限元计算结果，支护结构的轴力、弯矩、基坑开挖引起的地表沉降、坑底隆起以及连续墙的位移和应力值均随着基坑开挖深度的增加逐渐增大。（2）根据有限元数值计算结果，设计工况基坑支护结构中的立柱和横梁轴力和弯矩值均较小，立柱最大轴力为：753kN，横梁最大弯矩为11.01KNm。（3）对比两种工况，第二、三、四道直撑的轴力和弯矩值基本相当，而第一道直撑在设计工况情况下的轴压力明显要小于对比工况所产生的轴压力，但是弯矩值却要大于对比工况所产生的弯矩值。这说明，在不考虑立柱支撑的情况下，钢直撑受的轴压力变化较小，而第一道混凝土直撑的轴压力和弯矩值变化较大，变化的趋势为混凝土直撑的轴压力减小，弯矩值增大。4.2 建议（1）根据有限元分析，由于基坑支护结构中的立柱和横梁轴力和弯矩值均较小，通过对只采用直撑和地下连续墙支护结构施工阶段模拟，发现立柱和横梁对基坑的变形和直撑的内力影响较小，在施工现场条件允许的情况下，建议可以考虑只采用直撑和地下连续墙支护结构。（2）由于基坑开挖深度较大，建议开挖到开挖面后及时采取支护措施，尤其是开挖到最后一层土体时，由于基坑底部隆起量较大，建议及时施作底板，防止基坑底部土体过度隆起从而导致基坑失稳破坏。（3）在施工过程中，要加强监控力度，如有异常情况，应立即采取有效措施进行处理。

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