地铁站基坑开挖施工对临近地层影响的数值模拟分析.pdf
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1、第 卷第 期粉 煤 灰 综 合 利 用 年 月 岩土力学地铁站基坑开挖施工对临近地层影响的数值模拟分析 罗鹏(杨凌职业技术学院 交通与测绘工程分院,陕西 杨凌)摘 要:基于某地铁站基坑的开挖工程,在考虑支护结构与土层之间相互作用前提下,采用 软件进行二维平面有限元建模,通过计算分析施工过程中基坑周边地表沉降、支护连续墙水平位移与弯矩的变化,同时对比分析实际监测结果与数值计算结果。结果表明:开挖过程对邻近地表产生的影响较小,位移和沉降计算值均处于相关规范的要求范围内;由数值模拟计算的基坑周边地表最大沉降的计算值明显小于监测值,支护结构的最大水平位移大于监测值;采用二维有限元计算结果与实际监测数据
2、较为接近,验证了数值模拟的有效性。关键词:基坑开挖;隧道;沉降;数值模拟中图分类号:文献标志码:文章编号:():(,):,:;基 金 项 目:陕 西 省 职 业 技 术 教 育 学 会(编 号:)。作者简介:罗鹏(),男,硕士,讲师,研究方向:道路与铁道工程。引言随着我国城市建设的快速发展,采用隧道进行交通连接的应用日益增加,对隧道的设计要求也逐渐提高。近年来,由于开挖施工引发的隧道失稳的事故屡见不鲜,隧道开挖施工导致相邻建筑的开裂造成了重大安全隐患,开展基坑 粉煤灰综合利用 卷岩土力学开挖对邻近地表建筑物的影响对于提高隧道安全等级有重要的现实意义。目前,研究隧道结构位移与变形最可靠的方式是模
3、型试验,但模型试验对试验的场地、设施等要求较高,代价昂贵,不仅需要耗费大量的人力物力,试验过程也存在一定的偶然性。随着计算机数值模拟技术的迅速发展与分析方法的不断完善,有限元软件被广泛应用于各种建筑结构变形分析当中。在城市建筑与地铁站营建过程中,国内外类似地层的基坑工程发生坍塌等重大安全事故时有发生。因此,很多学者基于地铁站基坑开挖过程的特点对相关地层的变形开展数值模拟研究,重点分析基坑开挖对地层变形、沉降的影响。然而,不同地区地质条件的复杂性和基坑施工工况的多变性使得已有的研究成果无法形成统一的规律,对地铁站施工过程的工况开展相应的数值模拟研究,分析不同建模方法和材料参数对指导地铁站基坑安全
4、建设有重要现实意义。福州市是我国东南沿海地区的一个经济较为发达的城市,目前该市的地铁线路规划已经进入快速建设期。在福州市地铁沿线的地层中广泛分布着深厚的砂性土层,砂性土的工程性能有较为明显的不稳定性。目前,关于地铁站基坑开挖施工对临近地表沉降变形的研究已经取得了一系列的学术成果,但是就福州地区砂性土地层的基坑开挖数值模拟的相关分析还比较罕见。因此,本文基于 软件开展福州市某地铁站基坑开挖实际工况的二维有限元数值模拟,重点关注施工过程对站点周边地表沉降、支护连续墙侧向水平位移与弯矩的变化。分析方法 工程概况数值模拟研究基于福州某地铁站的实际工况。该地铁站车站起点里程 ,有效站台中心里程 ,站点里
5、程 ,总长 。地铁站为地下三层岛式站台车站,采用半盖挖法施工(部分采用明挖法施工);车站两端区间隧道均采用盾构法施工。车站主体结构为地下二层双柱三跨钢筋混凝土框架结构,标准段宽度为 ,小里程宽度为 。地下结构的围护结构(围护桩、冠梁)按永久构件设计,其他围护结构构件按照临时构件设计。按荷载效应基本组合进行承载能力计算时重要性系数取 ,其他构件取 。车站主体基坑围护 桩 段 安 全 等 级 为 一 级。地 面 最 大 沉 降,且不大于 ;围护结构最大水平位移,且不大于 。车站结构需考虑地下水浮力的影响,进行抗浮验算。抗浮安全系数在不计入侧壁摩阻力时取 ,计入侧壁摩阻力时取 。进行数值模拟的地铁站
6、围护结构剖面设计方案如图 所示。图 地铁站标准段的地层剖面 根据该场地的钻探结果显示,地铁站的地层剖面可以被简化为素填土、砂性土以及强风化岩,共 层,三个不同土层的深度分别为:、和 。地铁站基坑的主体处于砂性土中,依据不同土层的力学指标推荐值进行数值模拟计算。土体本构模型选取为 自带的 期罗 鹏:地铁站基坑开挖施工对临近地层影响的数值模拟分析 岩土力学 模型,素填土、残积土和强风化岩分别对应的编号为、和,不同土层的模型参数如表 所示。表 数值模型的材料参数汇总 地层重度()回弹模量 泊松比内摩擦角 黏聚力 剪胀角 排桩 横撑 有限元模型的建立采用 计算软件对该工程开挖工况进行模拟。模拟前选取地
7、铁站 个典型基坑截面,进一步开展地铁开挖施工模拟,对地铁风化土地层的力学参数进行比选分析。选取地铁站小里程端围护结构剖面为计算区域,建立三维几何模型。基坑宽 ,深 ,基坑采用连续墙支护形式,墙厚 ,第一排横撑水平间距 ,第二、三、四排横撑间距 ,墙高 。为消除边界条件对计算结果的影响,基坑外围模型长度大于开挖深度的 倍,模型长 ,高 ,厚度方向取为 ,第一排横撑的弹性模量按照 间距进行等效折减。基坑边缘两侧各有宽 的 均布超载。几何模型的边界条件为底部固定位移边界,前后左右侧面均为水平位移约束、垂直位移自由的边界。网格划分采用的土体单元为三维应力单元,连续墙采用 单元模拟,横撑采用梁单元。通过
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