地鐵車站換乘段深基坑工程蓋挖法施工有限元法模擬分析【摘要】以某地鐵車站換乘段基坑工程蓋挖法施工為實(shí)例，采用巖土有限元分析軟件PLAXIS進(jìn)行有限元模擬，考慮了施工工況、土體參數(shù)等差異對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果的影響，再與實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得到蓋挖法施工的風(fēng)險(xiǎn)因素與階段，希冀能為類似工程提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考?！娟P(guān)鍵詞】地鐵車站深基坑蓋挖法施工PLAXIS有限元分析軟件模擬計(jì)算0 引言 上海地區(qū)的地鐵車站主體結(jié)構(gòu)深基坑工程多采用以地下連續(xù)墻為圍護(hù)、鋼筋混凝土或鋼管支撐作為支護(hù)而形成的支擋體系方案。但在某些地鐵車站深基坑工程施工過(guò)程中，由于地面交通組織或其它原因的需要采用了對(duì)地面交通干擾較少的蓋挖法（蓋挖順作或者蓋挖逆作），即先澆筑地下結(jié)構(gòu)的部分頂板，在頂板保護(hù)下，自上而下分部開(kāi)挖、支撐和澆筑結(jié)構(gòu)內(nèi)襯。因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)（地下連續(xù)墻）和支護(hù)結(jié)構(gòu)（支撐與結(jié)構(gòu)梁板）的內(nèi)力特性與變形位移由于空間形狀、土層特性、施工工況、周邊環(huán)境等不同而產(chǎn)生差異。本文以某地鐵車站換乘段基坑工程蓋挖法施工為實(shí)例，采用巖土有限元分析軟件PLAXIS進(jìn)行有限元模擬，考慮了施工工況、土體參數(shù)等差異對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果的影響，再與實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，得到蓋挖法施工的風(fēng)險(xiǎn)因素與階段，希冀能為類似工程提供一定的經(jīng)驗(yàn)參考。1 工程概況 本地鐵車站工程標(biāo)準(zhǔn)段及端頭井為地下2層雙柱三跨結(jié)構(gòu)，中間換乘段為地下3層結(jié)構(gòu)（D區(qū)）。其主體結(jié)構(gòu)基坑工程共分為兩個(gè)階段施工：第一階段主要進(jìn)行A區(qū)端頭井和B區(qū)（端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段）施工；第二階段主要進(jìn)行D區(qū)換乘段以及C區(qū)標(biāo)準(zhǔn)段施工，C區(qū)與D區(qū)間設(shè)置非完全的地下連續(xù)墻（圖1）。
D區(qū)換乘段的基坑工程以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的參數(shù)：換乘段基坑開(kāi)挖深度約24.07 m，D區(qū)換乘段南北地下連續(xù)墻為1 000 mm厚，深度為40 m，入土比約為0.667；東西兩側(cè)臨時(shí)封堵墻厚度為800 mm厚，深度為34 m。 根據(jù)巖土勘察報(bào)告土層有關(guān)技術(shù)參數(shù)，工程地質(zhì)條件如表1。 本工程地下水主要有淺部土層中的潛水，及深部粉性土、砂土層中的承壓水。上海年平均水位埋深在0.5～0.7 m，低水位埋深1.50 m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的地下水位埋深一般在1.15～1.25 m之間。2 蓋挖法施工過(guò)程2.1 換乘段基坑施工環(huán)境 換乘段13軸線～14軸線頂板以及B區(qū)頂板結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成（原設(shè)計(jì)中換乘段頂板應(yīng)完成12X軸，～14軸，但由于交通組織等原因變更施工范圍，淺部臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)亦由拉森鋼板樁改為臨時(shí)擋土墻），并且完成覆土回填；B區(qū)（14軸地下連續(xù)墻以西）中板及底板結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成（圖2）；⑨～⑩軸線之間有24孔信息管線穿越基坑并實(shí)施原位保護(hù)。2.2 換乘段施工工況 （1）換乘段10～13軸為明開(kāi)挖法施工下二層板以上部分，13～14軸為蓋挖法施工下二層板以上部分，共設(shè)置5道φ609×16 mm鋼管支撐。 （2）澆筑換乘段下二層部分板、梁結(jié)構(gòu)（如圖3所示），待下二層板及C區(qū)相鄰標(biāo)準(zhǔn)段底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%時(shí)采用蓋挖法施工下三層部分。 （3）開(kāi)挖至第六道支撐底面標(biāo)高，并安裝第6道φ609×16 mm鋼管支撐。 （4）開(kāi)挖至第七道支撐底面標(biāo)高，并將第6道φ609×16 mm鋼管對(duì)直撐移位至第七道支撐位置。 （5）開(kāi)挖至基坑底面設(shè)計(jì)標(biāo)高，并依次完成換乘段底板側(cè)墻以及地下一層、二層部分未完成的結(jié)構(gòu)施工。3 有限單元法模擬分析 本文擬采用荷蘭巖土分析軟件PLAXIS程序中的二維分析軟件包對(duì)本工程施工過(guò)程按照工況進(jìn)行模擬，并分析了模擬計(jì)算與實(shí)際結(jié)果的比較情況、蓋挖施工與明挖法施工的比較情況。為了模擬最深開(kāi)挖工況情況，將模擬斷面選取在B軸或G軸線處。3.1 PLAXIS模型建立與參數(shù)選取3.1.1 土體本構(gòu)模型 土體采用摩爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）模型，在PLAXIS程序當(dāng)中Mohr-Coulomb模型，共需要5個(gè)參數(shù)楊氏模量E、泊桑比ν、內(nèi)摩擦角φ、內(nèi)聚力c、剪脹角ψ。在真實(shí)土體中，剛度在很大程度上依賴于應(yīng)力水平，即剛度通常隨著深度的增加而增加，PLAXIS引入高級(jí)參數(shù)Eincrement用來(lái)反映剛度隨著深度的增加而增加的，它表示楊氏模量在每個(gè)單位深度上的增加量（單位：應(yīng)力/單位深度）。Eactual=Eref+(yref-y)Eincement(y<yref) 內(nèi)摩擦角在很大程度上決定了抗剪強(qiáng)度，且摩擦角取值較大，會(huì)顯著增加塑性計(jì)算量，計(jì)算時(shí)間的增加量與摩擦角的大小呈某種指數(shù)關(guān)系。3.1.2 單元模擬 數(shù)值模擬中土體采用平面應(yīng)變15節(jié)點(diǎn)2-D等參單元（PLAXIS程序中分為6節(jié)點(diǎn)、15節(jié)點(diǎn)兩種單元）；圍護(hù)墻采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬；支撐結(jié)構(gòu)按照抗壓構(gòu)件來(lái)考慮；土與結(jié)構(gòu)按特殊接觸面單元處理（圖4）。 PLAXIS程序中用Rinter彈塑性模型中模擬土-結(jié)構(gòu)相互作用的界面的性狀,若φi和ci分別為界面的摩擦角和內(nèi)聚力（粘著力），按如下規(guī)則由相應(yīng)的巖土性質(zhì)和強(qiáng)度折減因子，計(jì)算得出界面性質(zhì)： 在缺少給定情況的資料時(shí)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)Rinter為2/3。3.1.3 參數(shù)選取 土體單元的相關(guān)參數(shù)可根據(jù)巖土勘察報(bào)告以及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，圍護(hù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表2：3.2 有限單元模擬計(jì)算結(jié)果3.2.1 數(shù)值分析與監(jiān)測(cè)結(jié)果比較 根據(jù)基坑變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)的要求，基坑圍護(hù)墻最大水平位移量應(yīng)≤0.3%H，而當(dāng)時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，基坑圍護(hù)墻最大水平位移在允許范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料分析，斷面的最大變形值較大。表明有限元模擬的結(jié)果與實(shí)際情況有一定的理論差距。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析，在施工第一、二層土方過(guò)程中由于支撐軸力未能施加完全到位，曾出現(xiàn)當(dāng)次最大變化量為4.27 mm（超過(guò)單次監(jiān)測(cè)報(bào)警值），從而出現(xiàn)實(shí)際監(jiān)測(cè)最大變形超過(guò)理論計(jì)算值（圖6）。3.2.2 明挖法施工模擬 如考慮下三層采用明挖法施工，共需設(shè)置7道φ609×16 mm鋼管支撐，通過(guò)有限元模擬計(jì)算其土體及地下連續(xù)墻體的水平位移情況明顯大于蓋挖法施工模擬計(jì)算的結(jié)果，且對(duì)周邊土體的影響范圍亦有顯著增大（圖7）。4 結(jié)語(yǔ) （1）采用PLAXIS程序進(jìn)行基坑工程有限元模擬分析，可以得到較為真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，其中土體的楊氏模量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，其取值應(yīng)根據(jù)巖土勘察報(bào)告并考慮土體擾動(dòng)影響結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)選取。 （2）深基坑工程施工如采用蓋挖法施工可以減少支撐數(shù)量，由于結(jié)構(gòu)板梁軸向抗壓剛度EA值較大，能夠有效地限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。 （3）基坑底部隆起值隨基坑開(kāi)挖深度的增加而增加，且由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，基坑邊緣處的隆起量明顯小于基坑中部。參考文獻(xiàn)[1]曾進(jìn)倫，王聿，賴允瑾.地下工程施工技術(shù).北京：高等教育出版社，2001.[2]耿永常，尚文紅，安桂香.逆作地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力特性分析.低溫建筑技術(shù)，2006，l5：69-71.
D區(qū)換乘段的基坑工程以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的參數(shù)：換乘段基坑開(kāi)挖深度約24.07 m，D區(qū)換乘段南北地下連續(xù)墻為1 000 mm厚，深度為40 m，入土比約為0.667；東西兩側(cè)臨時(shí)封堵墻厚度為800 mm厚，深度為34 m。 根據(jù)巖土勘察報(bào)告土層有關(guān)技術(shù)參數(shù)，工程地質(zhì)條件如表1。 本工程地下水主要有淺部土層中的潛水，及深部粉性土、砂土層中的承壓水。上海年平均水位埋深在0.5～0.7 m，低水位埋深1.50 m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的地下水位埋深一般在1.15～1.25 m之間。2 蓋挖法施工過(guò)程2.1 換乘段基坑施工環(huán)境 換乘段13軸線～14軸線頂板以及B區(qū)頂板結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成（原設(shè)計(jì)中換乘段頂板應(yīng)完成12X軸，～14軸，但由于交通組織等原因變更施工范圍，淺部臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)亦由拉森鋼板樁改為臨時(shí)擋土墻），并且完成覆土回填；B區(qū)（14軸地下連續(xù)墻以西）中板及底板結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成（圖2）；⑨～⑩軸線之間有24孔信息管線穿越基坑并實(shí)施原位保護(hù)。2.2 換乘段施工工況 （1）換乘段10～13軸為明開(kāi)挖法施工下二層板以上部分，13～14軸為蓋挖法施工下二層板以上部分，共設(shè)置5道φ609×16 mm鋼管支撐。 （2）澆筑換乘段下二層部分板、梁結(jié)構(gòu)（如圖3所示），待下二層板及C區(qū)相鄰標(biāo)準(zhǔn)段底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%時(shí)采用蓋挖法施工下三層部分。 （3）開(kāi)挖至第六道支撐底面標(biāo)高，并安裝第6道φ609×16 mm鋼管支撐。 （4）開(kāi)挖至第七道支撐底面標(biāo)高，并將第6道φ609×16 mm鋼管對(duì)直撐移位至第七道支撐位置。 （5）開(kāi)挖至基坑底面設(shè)計(jì)標(biāo)高，并依次完成換乘段底板側(cè)墻以及地下一層、二層部分未完成的結(jié)構(gòu)施工。3 有限單元法模擬分析 本文擬采用荷蘭巖土分析軟件PLAXIS程序中的二維分析軟件包對(duì)本工程施工過(guò)程按照工況進(jìn)行模擬，并分析了模擬計(jì)算與實(shí)際結(jié)果的比較情況、蓋挖施工與明挖法施工的比較情況。為了模擬最深開(kāi)挖工況情況，將模擬斷面選取在B軸或G軸線處。3.1 PLAXIS模型建立與參數(shù)選取3.1.1 土體本構(gòu)模型 土體采用摩爾-庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）模型，在PLAXIS程序當(dāng)中Mohr-Coulomb模型，共需要5個(gè)參數(shù)楊氏模量E、泊桑比ν、內(nèi)摩擦角φ、內(nèi)聚力c、剪脹角ψ。在真實(shí)土體中，剛度在很大程度上依賴于應(yīng)力水平，即剛度通常隨著深度的增加而增加，PLAXIS引入高級(jí)參數(shù)Eincrement用來(lái)反映剛度隨著深度的增加而增加的，它表示楊氏模量在每個(gè)單位深度上的增加量（單位：應(yīng)力/單位深度）。Eactual=Eref+(yref-y)Eincement(y<yref) 內(nèi)摩擦角在很大程度上決定了抗剪強(qiáng)度，且摩擦角取值較大，會(huì)顯著增加塑性計(jì)算量，計(jì)算時(shí)間的增加量與摩擦角的大小呈某種指數(shù)關(guān)系。3.1.2 單元模擬 數(shù)值模擬中土體采用平面應(yīng)變15節(jié)點(diǎn)2-D等參單元（PLAXIS程序中分為6節(jié)點(diǎn)、15節(jié)點(diǎn)兩種單元）；圍護(hù)墻采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬；支撐結(jié)構(gòu)按照抗壓構(gòu)件來(lái)考慮；土與結(jié)構(gòu)按特殊接觸面單元處理（圖4）。 PLAXIS程序中用Rinter彈塑性模型中模擬土-結(jié)構(gòu)相互作用的界面的性狀,若φi和ci分別為界面的摩擦角和內(nèi)聚力（粘著力），按如下規(guī)則由相應(yīng)的巖土性質(zhì)和強(qiáng)度折減因子，計(jì)算得出界面性質(zhì)： 在缺少給定情況的資料時(shí)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)Rinter為2/3。3.1.3 參數(shù)選取 土體單元的相關(guān)參數(shù)可根據(jù)巖土勘察報(bào)告以及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，圍護(hù)及支護(hù)結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表2：3.2 有限單元模擬計(jì)算結(jié)果3.2.1 數(shù)值分析與監(jiān)測(cè)結(jié)果比較 根據(jù)基坑變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)的要求，基坑圍護(hù)墻最大水平位移量應(yīng)≤0.3%H，而當(dāng)時(shí)的實(shí)測(cè)結(jié)果表明，基坑圍護(hù)墻最大水平位移在允許范圍內(nèi)。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料分析，斷面的最大變形值較大。表明有限元模擬的結(jié)果與實(shí)際情況有一定的理論差距。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況分析，在施工第一、二層土方過(guò)程中由于支撐軸力未能施加完全到位，曾出現(xiàn)當(dāng)次最大變化量為4.27 mm（超過(guò)單次監(jiān)測(cè)報(bào)警值），從而出現(xiàn)實(shí)際監(jiān)測(cè)最大變形超過(guò)理論計(jì)算值（圖6）。3.2.2 明挖法施工模擬 如考慮下三層采用明挖法施工，共需設(shè)置7道φ609×16 mm鋼管支撐，通過(guò)有限元模擬計(jì)算其土體及地下連續(xù)墻體的水平位移情況明顯大于蓋挖法施工模擬計(jì)算的結(jié)果，且對(duì)周邊土體的影響范圍亦有顯著增大（圖7）。4 結(jié)語(yǔ) （1）采用PLAXIS程序進(jìn)行基坑工程有限元模擬分析，可以得到較為真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果，其中土體的楊氏模量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，其取值應(yīng)根據(jù)巖土勘察報(bào)告并考慮土體擾動(dòng)影響結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)選取。 （2）深基坑工程施工如采用蓋挖法施工可以減少支撐數(shù)量，由于結(jié)構(gòu)板梁軸向抗壓剛度EA值較大，能夠有效地限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。 （3）基坑底部隆起值隨基坑開(kāi)挖深度的增加而增加，且由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的相互作用，基坑邊緣處的隆起量明顯小于基坑中部。參考文獻(xiàn)[1]曾進(jìn)倫，王聿，賴允瑾.地下工程施工技術(shù).北京：高等教育出版社，2001.[2]耿永常，尚文紅，安桂香.逆作地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)受力特性分析.低溫建筑技術(shù)，2006，l5：69-71.
