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例，采用巖土有限元分析軟件PLAXIS進行有限元模擬，考慮了施工工況、土體參數等差異對支護結構位移計算結果的影響，再與實際的監測結果進行比較，得到蓋挖法施工的風險因素與階段，希冀能為類似工程提供一定的經驗參考。【關鍵詞】地鐵車站深基坑蓋挖法施工PLAXIS有限元分析軟件模擬計算0 引言 上海地區的地鐵車站主體結構深基坑工程多采用以地下連續墻為圍護、鋼筋混凝土或鋼管支撐作為支護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程中，由于地面交通組織或其它原因的需要采用了對地面交通干擾較少的蓋挖法（蓋挖順作或者蓋挖逆作），即先澆筑地下結構的部分頂板，在頂板保護下，自上而下分部開挖、支撐和澆筑結構內襯。因此圍護結構（地下連續墻）和支護結構（支撐與結構梁板）的內力特性與變形位移由于空間形狀、土層特性、施工工況、周邊環境等不同而產生差異。本文以某地鐵車站換乘段基坑工程蓋挖法施工為實例，采用巖土有限元分析軟件PLAXIS進行有限元模擬，考慮了施工工況、土體參數等差異對支護結構位移計算結果的影響，再與實際的監測結果進行比較，得到蓋挖法施工的風險因素與階段，希冀能為類似工程提供一定的經驗參考。1 工程概況 本地鐵車站工程標準段及端頭井為地下2層雙柱三跨結構，中間換乘段為地下3層結構（D區）。其主體結構基坑工程共分為兩個階段施工：第一階段主要進行A區端頭井和B區（端頭井和標準段）施工；第二階段主要進行D區換乘段以及C區標準段施工，C區與D區間設置非完全的地下連續墻（圖1）。
D區換乘段的基坑工程以及圍護結構設計方案的參數：換乘段基坑開挖深度約24.07 m，D區換乘段南北地下連續墻為1 000 mm厚，深度為40 m，入土比約為0.667；東西兩側臨時封堵墻厚度為800 mm厚，深度為34 m。 根據巖土勘察報告土層有關技術參數，工程地質條件如表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。現場測得的地下水位埋深一般在1.15～1.25 m之間。2 蓋挖法施工過程2.1 換乘段基坑施工環境 換乘段13軸線～14軸線頂板以及B區頂板結構已經完成（原設計中換乘段頂板應完成12X軸，～14軸，但由于交通組織等原因變更施工范圍，淺部臨時圍護結構亦由拉森鋼板樁改為臨時擋土墻），并且完成覆土回填；B區（14軸地下連續墻以西）中板及底板結構已經施工完成（圖2）；⑨～⑩軸線之間有24孔信息管線穿越基坑并實施原位保護。2.2 換乘段施工工況 （1）換乘段10～13軸為明開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，共設置5道φ609×16 mm鋼管支撐。 （2）澆筑換乘段下二層部分板、梁結構（如圖3所示），待下二層板及C區相鄰標準段底板達到設計強度70%時采用蓋挖法施工下三層部分。 （3）開挖至第六道支撐底面標高，并安裝第6道φ609×16 mm鋼管支撐。 （4）開挖至第七道支撐底面標高，并將第6道φ609×16 mm鋼管對直撐移位至第七道支撐位置。 （5）開挖至基坑底面設計標高，并依次完成換乘段底板側墻以及地下一層、二層部分未完成的結構施工。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本工程施工過程按照工況進行模擬，并分析了模擬計算與實際結果的比較情況、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模型建立與參數選取3.1.1 土體本構模型 土體采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）模型，在PLAXIS程序當中Mohr-Coulomb模型，共需要5個參數楊氏模量E、泊桑比ν、內摩擦角φ、內聚力c、剪脹角ψ。在真實土體中，剛度在很大程度上依賴于應力水平，即剛度通常隨著深度的增加而增加，PLAXIS引入高級參數Eincrement用來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單位深度上的增加量（單位：應力/單位深度）。Eactual=Eref+(yref-y)Eincement(y<yref) 內摩擦角在很大程度上決定了抗剪強度，且摩擦角取值較大，會顯著增加塑性計算量，計算時間的增加量與摩擦角的大小呈某種指數關系。3.1.2 單元模擬 數值模擬中土體采用平面應變15節點2-D等參單元（PLAXIS程序中分為6節點、15節點兩種單元）；圍護墻采用梁單元來模擬；支撐結構按照抗壓構件來考慮；土與結構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-結構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聚力（粘著力），按如下規則由相應的巖土性質和強度折減因子，計算得出界面性質： 在缺少給定情況的資料時，可以根據經驗假設Rinter為2/3。3.1.3 參數選取 土體單元的相關參數可根據巖土勘察報告以及地區經驗進行選取，圍護及支護結構相關參數如表2：3.2 有限單元模擬計算結果3.2.1 數值分析與監測結果比較 根據基坑變形控制保護等級標準一級的要求，基坑圍護墻最大水平位移量應≤0.3%H，而當時的實測結果表明，基坑圍護墻最大水平位移在允許范圍內。同時，根據現場施工過程中的環境監測數據資料分析，斷面的最大變形值較大。表明有限元模擬的結果與實際情況有一定的理論差距。根據現場施工情況分析，在施工第一、二層土方過程中由于支撐軸力未能施加完全到位，曾出現當次最大變化量為4.27 mm（超過單次監測報警值），從而出現實際監測最大變形超過理論計算值（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，共需設置7道φ609×16 mm鋼管支撐，通過有限元模擬計算其土體及地下連續墻體的水平位移情況明顯大于蓋挖法施工模擬計算的結果，且對周邊土體的影響范圍亦有顯著增大（圖7）。4 結語 （1）采用PLAXIS程序進行基坑工程有限元模擬分析，可以得到較為真實可靠的數據結果，其中土體的楊氏模量對計算結果影響較大，其取值應根據巖土勘察報告并考慮土體擾動影響結合地區經驗選取。 （2）深基坑工程施工如采用蓋挖法施工可以減少支撐數量，由于結構板梁軸向抗壓剛度EA值較大，能夠有效地限制圍護結構水平位移。 （3）基坑底部隆起值隨基坑開挖深度的增加而增加，且由于圍護結構與土體的相互作用，基坑邊緣處的隆起量明顯小于基坑中部。參考文獻[1]曾進倫，王聿，賴允瑾.地下工程施工技術.北京：高等教育出版社，2001.[2]耿永常，尚文紅，安桂香.逆作地下連續墻結構受力特性分析.低溫建筑技術，2006，l5：69-71.
D區換乘段的基坑工程以及圍護結構設計方案的參數：換乘段基坑開挖深度約24.07 m，D區換乘段南北地下連續墻為1 000 mm厚，深度為40 m，入土比約為0.667；東西兩側臨時封堵墻厚度為800 mm厚，深度為34 m。 根據巖土勘察報告土層有關技術參數，工程地質條件如表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。現場測得的地下水位埋深一般在1.15～1.25 m之間。2 蓋挖法施工過程2.1 換乘段基坑施工環境 換乘段13軸線～14軸線頂板以及B區頂板結構已經完成（原設計中換乘段頂板應完成12X軸，～14軸，但由于交通組織等原因變更施工范圍，淺部臨時圍護結構亦由拉森鋼板樁改為臨時擋土墻），并且完成覆土回填；B區（14軸地下連續墻以西）中板及底板結構已經施工完成（圖2）；⑨～⑩軸線之間有24孔信息管線穿越基坑并實施原位保護。2.2 換乘段施工工況 （1）換乘段10～13軸為明開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，共設置5道φ609×16 mm鋼管支撐。 （2）澆筑換乘段下二層部分板、梁結構（如圖3所示），待下二層板及C區相鄰標準段底板達到設計強度70%時采用蓋挖法施工下三層部分。 （3）開挖至第六道支撐底面標高，并安裝第6道φ609×16 mm鋼管支撐。 （4）開挖至第七道支撐底面標高，并將第6道φ609×16 mm鋼管對直撐移位至第七道支撐位置。 （5）開挖至基坑底面設計標高，并依次完成換乘段底板側墻以及地下一層、二層部分未完成的結構施工。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本工程施工過程按照工況進行模擬，并分析了模擬計算與實際結果的比較情況、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模型建立與參數選取3.1.1 土體本構模型 土體采用摩爾-庫侖（Mohr-Coulomb）模型，在PLAXIS程序當中Mohr-Coulomb模型，共需要5個參數楊氏模量E、泊桑比ν、內摩擦角φ、內聚力c、剪脹角ψ。在真實土體中，剛度在很大程度上依賴于應力水平，即剛度通常隨著深度的增加而增加，PLAXIS引入高級參數Eincrement用來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單位深度上的增加量（單位：應力/單位深度）。Eactual=Eref+(yref-y)Eincement(y<yref) 內摩擦角在很大程度上決定了抗剪強度，且摩擦角取值較大，會顯著增加塑性計算量，計算時間的增加量與摩擦角的大小呈某種指數關系。3.1.2 單元模擬 數值模擬中土體采用平面應變15節點2-D等參單元（PLAXIS程序中分為6節點、15節點兩種單元）；圍護墻采用梁單元來模擬；支撐結構按照抗壓構件來考慮；土與結構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-結構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聚力（粘著力），按如下規則由相應的巖土性質和強度折減因子，計算得出界面性質： 在缺少給定情況的資料時，可以根據經驗假設Rinter為2/3。3.1.3 參數選取 土體單元的相關參數可根據巖土勘察報告以及地區經驗進行選取，圍護及支護結構相關參數如表2：3.2 有限單元模擬計算結果3.2.1 數值分析與監測結果比較 根據基坑變形控制保護等級標準一級的要求，基坑圍護墻最大水平位移量應≤0.3%H，而當時的實測結果表明，基坑圍護墻最大水平位移在允許范圍內。同時，根據現場施工過程中的環境監測數據資料分析，斷面的最大變形值較大。表明有限元模擬的結果與實際情況有一定的理論差距。根據現場施工情況分析，在施工第一、二層土方過程中由于支撐軸力未能施加完全到位，曾出現當次最大變化量為4.27 mm（超過單次監測報警值），從而出現實際監測最大變形超過理論計算值（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，共需設置7道φ609×16 mm鋼管支撐，通過有限元模擬計算其土體及地下連續墻體的水平位移情況明顯大于蓋挖法施工模擬計算的結果，且對周邊土體的影響范圍亦有顯著增大（圖7）。4 結語 （1）采用PLAXIS程序進行基坑工程有限元模擬分析，可以得到較為真實可靠的數據結果，其中土體的楊氏模量對計算結果影響較大，其取值應根據巖土勘察報告并考慮土體擾動影響結合地區經驗選取。 （2）深基坑工程施工如采用蓋挖法施工可以減少支撐數量，由于結構板梁軸向抗壓剛度EA值較大，能夠有效地限制圍護結構水平位移。 （3）基坑底部隆起值隨基坑開挖深度的增加而增加，且由于圍護結構與土體的相互作用，基坑邊緣處的隆起量明顯小于基坑中部。參考文獻[1]曾進倫，王聿，賴允瑾.地下工程施工技術.北京：高等教育出版社，2001.[2]耿永常，尚文紅，安桂香.逆作地下連續墻結構受力特性分析.低溫建筑技術，2006，l5：69-71.