有限元在郑州某地铁换乘站深基坑变形中的土木工程应用研究

本文是土木工程论文，本文结合郑州市轨道交通三号线中兴路地铁车站深基坑工程，主要对此深基坑工程变形问题进行研究。主要通过深基坑变形理论、有限元软件数值模拟和现场实测三种方法共同对地铁车站深基坑开挖与支护的全过程进行研究，重点分析围护结构的变形及周围地表沉降，总结其变形规律。并结合有限元软件对本工程深基坑原设计方案进行优化设计，分析得出本工程最优的围护结构的方案。最终的研究结论将会对今后中原地区地铁车站深基坑工程的设计与施工具有相应的工程应用价值。

第 1 章 绪论

1.1 选题的背景及意义
1.1.1 选题的背景
近些年来，我国经济一直处于快速增长阶段，城市化进程不断加快，城市人口迅速增加，由此造成了严重的地上空间不足、交通拥挤等问题。通过发展地下工程，开发地下空间来解决此问题已迫在眉睫。
地铁工程建设中车站深基坑工程是其重要的组成部分，地铁车站多数处于城市的中心区域，人口众多，交通繁忙，周边建筑物较多，地下环境复杂，并且与城市中普通的商业、住宅楼基坑工程相比规模更大、深度更深。因此，地铁车站深基坑开挖与支护问题已成为目前岩土工程界研究人员研究的焦点。在我国地铁建设历程中，众多基坑事故屡次出现：于 2003 年，上海市某地铁车站基坑施工过程中由于部分止水失效，导致通道渗水、大量流砂涌入，从而引起隧道段内结构产生损坏以及周围发生地面沉降，对附近房屋影响非常严重，直接的经济损失已达到了 1.5 亿人民币，其他方面的损失不可估量。2008 年 11 月，杭州市某地铁车站基坑工程施工现场发生大面积地面塌陷，导致众多人员伤亡失踪，是现阶段我国地铁建设历程中较为典型的一次基坑事故。2013 年 5 月，西安市某地铁施工时出现了严重的基坑塌方事故，造成多人遇难以及巨大经济损失；在2014 年，兰州市某地铁施工现场，由于施工方法不当，导致管道塌方事故，造成多名施工人员身亡。追究其地铁事故发生的原因，无非就是因为基坑施工过程中，围护结构的过大变形和周围地表发生过大的沉降，导致周围土体发生较大的位移，引发众多工程事故，因此对于地铁车站深基坑工程，施工过程中有效的控制基坑变形是非常关键的。
郑州市当前经济取得了巨大的成就，城市区域不断扩大，人口迅速增长，由此造成巨大的城市交通拥堵问题正在成为阻碍城市不断发展的原因。由于郑州市是全国重要铁路枢纽中心，各大重要铁路线在主城区大致形成了“十”字形分布，对市内交通线路规划造成很大影响。同时，城区内主要的公交路线，满载情况已经屡见不鲜。单靠市内公交的调整来缓解交通压力已经显得不太现实，因此迫切需要发展城市轨道交通来解决城市交通问题。
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1.2论文主要研究内容
本文以郑州市轨道交通三号线中兴路地铁车站深基坑工程为研究背景。总结分析了深基坑研究理论、深基坑变形的机理；通过三维有限元软件数值模拟基坑开挖和支护全过程，研究本工程深基坑变形特征；通过现场对基坑开挖过程的监测，收集整理出全部监测数据，分析基坑变形的情况，将有限元软件模拟值和现场实际检测结果进行比较。根据工程在施工过程中所遇到的问题，采用有限元数值模拟法分析内支撑对本工程深基坑开挖的影响，对原支撑方案进行优化，得出最优的结果，对于工程施工方法、施工进度和工程造价有着实际意义。主要内容有：
（1）总结分析了经典土压力计算理论、深基坑围护结构的变形机理以及基坑支护体系稳定性的方法。提出了一些地铁车站常用的围护结构形式，并分析根据基坑特点进行围护结构选型。
（2）以郑州市某地铁车站深基坑工程为背景，采用迈达斯有限元分析软件对地铁车站深基坑开挖支护全过程进行数值模拟分析，计算出基坑在开挖过程中不同施工工况下的围护墙体变形、基坑坑底土体回弹和周围土体变化等情况，对其变形规律进行总结。
（3）结合中兴路地铁车站现场施工监测方案，在施工场地完成了基坑开挖时的监测任务，并且对全部监测数据进行总结，重点分析了在每步工况下地连墙墙体的水平位移、基坑周边地表沉降和内支撑轴力的变化情况，同时对基坑变形异常情况的原因和影响因素进行分析，总结出了深基坑在开挖过程中的变形规律。将有限元数值模拟数据与现场实际监测数据进行比较，以此来证明采用有限元软件对深基坑施工过程运用数值模拟法研究深基坑变形特性的可行性和可靠性。
（4）通过迈达斯有限元软件数值模拟分析的方法，对本工程深基坑支护结构的的内支撑不同类型和水平间距变化对基坑变形的影响进行分析，然后根据围护结构的设计方案，从不同的角对内支撑进行优化分析，证明优化方案能够满足施工的可行性、安全性、经济性。
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第 2 章 地铁车站深基坑变形的理论分析

2.1 深基坑土压力理论简介
土压力在基坑开挖过程中是影响支护结构变形最为重要因素，其计算一直以来都是学术界重要的研究课题。法国土力学家库伦根据围护墙背面滑动土体的极限平衡来解决土体的内力问题，英国学者朗肯通过半空间应力状态和土单元体极限平衡条件求得土压力。太沙基等学者对于土压力计算理论方面的研究贡献巨大，使得此理论的应用范围更加广泛，在今天的深基坑工程设计计算中仍被广泛使用。近些年来土压力计算理论进一步得到完善，新的土压力理论如能量理论、有限单元数值模拟计算理论等被学者相继提出，使得土压力的计算结果更加精确。
库伦土压力理论前提是对在对回填砂土挡土墙土压力分析，将墙后的土体可以看成处于两个滑动面之间的土楔，然后按照土楔体的静力平衡条件，算出墙体对土楔体的反作用力，然后就可以得出墙背上的总土压力。此理论的基本假设：墙后填土全为无粘性土，滑动破裂面为平面，墙后滑动土楔体当作刚体。
主动总土压力公式如下:


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2.2 深基坑的变形机理
深基坑在开挖时，基坑内的土体被不断地挖走，而坑外的土体仍然保持原状。由此造成支护结构两侧之间的土压力将会出现差值，并逐渐的变大，基坑外侧将会产生向基坑内侧的压力，围护结构随之发生水平向的变形，从而围护结构周围的土体也会随着墙体的变形而产生位移，土体的变形又进一步给周边环境带来很大的影响，尤其是在城市中心施工的地铁深基坑工程。同时，坑下土体的原始应力状态遭到破坏，加上周围土体对墙脚的作用，坑底将会出现向上的隆起变形。总结深基坑变形主要有：围护墙体发生的变形、周边地表发生的沉降和基坑底部土体出现的隆起现象，它们之间会相互关联、相互影响。
2.2.1 围护墙体的变形
深基坑工程在实际施工中，随着基坑的开挖，围护结构内侧开挖面以上的土体被挖掉，墙体内侧土压力被卸除，而墙体外侧土体仍然保持原状，从而基坑围护墙体的内侧与外侧的土压力产生差值，基坑围护墙体的外侧受到主动土压力，基坑坑底处的围护结构内侧受到被动土压力。围护墙体内侧跟外侧土体面的变化所产生的加载以及众多作用于基坑周围地面荷载，共同作用于围护结构上，围护结构就会发生向基坑内侧水平方向的位移。
在深基坑的发展中，众多工程经验总结，围护墙体主要变形是水平向的位移，垂直向的变形量很小，对于基坑的稳定性影响很小，通常情况下可以不去过多的研究其变形。而围护墙体的水平位移在受到土体压力时，会产生比较大的位移，对基坑安全性影响很大，如何控制墙体的水平位移，是我们研究基坑稳定性的重要方向。本文主要针对基坑水平向的位移分析，当基坑初始开挖深度不大，尚没进行内支撑安装施工时，围护墙体无论是刚性还是柔性墙体都会产生水平位移，并且为三角形形状的分布，围护墙在墙顶处发生较大的水平位移，而墙底处发生的位移非常小，墙体通过坑底的某个位置朝向基坑开挖侧产生倾斜。随着施工的进行，深度的不断增大，内支撑同时进行安装施工，此时围护墙体所产生的水平向的变形仍呈现出三角形的形状，围护墙体最顶端的水平位移逐渐向坑内移动，墙体最底部位移很小，中间部位会产生较大的水平位移。基坑的整体稳定性、基坑附近的地表沉降和坑底土体隆起均会因围护墙体的变形而受到一定的影响。
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第 3 章 中兴路车站深基坑有限元数值模拟研究......................19
3.1 中兴路车站深基坑工程概况....................19
3.1.1 工程简介...................... 19
3.1.2 工程条件....................... 20
第 4 章 中兴路地铁车站深基坑变形实测及分析.........................33
4.1 中兴路车站深基坑监测.....................33
4.1.1 监测的目的及意义................... 33
4.1.2 本工程监测内容.................. 33
第 5 章 中兴路站深基坑围护结构的设计优化................45
5.1 围护结构参数优化原则.................45
5.2 优化参数的选取.....................45

第 5 章 中兴路站深基坑围护结构的设计优化

5.1 围护结构参数优化原则
深基坑工程中支护体系直接影响到基坑安全、工程造价、施工进度等各个方面。由于基坑工程的复杂性，在设计时会考虑到很多因素，通常为了追求安全性，支护设计通常会比较保守，对于城市轨道交通工程更是如此，在这些工程中往往工程造价居高不下。如何去完成优化围护结构设计，需要满足何种条件，是一种学问。
支护体系的优化，首先要保证基坑的安全性，然后通过不断地优化方案，使得设计更加经济合理。根据以往支护结构设计总结，支护体系优化主要有技术可行性、安全性可靠性、经济性、对周围环境的影响和工期。
本章以郑州市中兴路地铁车站为背景进行围护结构优化。本工程基坑深度达27m，周围建筑物及地下管线复杂，根据以往的施工经验以及本地区其他工程案例，本深基坑工程支护结构选用地连墙加内支撑的形式。在本工程实际施工过程中发现支撑道数过多、支撑的水平间距太小，导致施工进度缓慢，无法采用大型机械进行坑内施工，造成施工成本增加。
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第 6 章 结论与展望

6.1 结论
本文以郑州地铁 3 号中兴路地铁车站深基坑为工程背景，采用理论分析，现场实测和有限元数值模拟相结合的方法，对中兴路地铁车站深基坑围护结构的变形进行应用研究，并针对本深基坑工程施工中遇到的问题，采用有限元软件对围护结构支撑体系进行优化分析，通过研究主要结论有。
（1）在基坑整个开挖过程中，墙体最大水平位移不断增大，且最大位移的位置不断下降，然后再不断地减小，变形呈“弓”形分布。
（2）基坑周边地表沉降都是从基坑边缘处开始增大，到距基坑一定距离的范围内沉降达到最大，随后逐渐减小，变形形式大体呈向下凹的抛物线形状。基坑施工过程中对周边地表的影响范围大概在 1.5 倍的基坑深度以内。
（3）本深基坑工程中，中间立柱的存在，坑底隆起呈现字母“m”形状的变化。
（4）支撑轴力总体是先增大，然后到下一道支撑安装完成后，该道支撑轴力开始逐渐减小，最后逐渐趋于稳定状态。在对围护结构内支撑设计时应当有一定的安全储备。
（5）采用迈达斯有限元软件分析中兴路地铁车站深基坑围护结构墙体变形进行研究得出墙体水平位移、周边地表沉降及坑底土体隆起情况。计算结果与现场实测结果，两者相互佐证，有限元数值模拟的方法对基坑开挖过程中基坑变形的研究具有可行性，对于实际工程具有应用价值。
（6）创新性的对本工程深基坑内支撑设计优化，得出优化方案为四道内支撑，通过迈达斯和理正软件的共同验证，优化方案满足安全性要求，减少工程造价，并能够增加施工空间，加快施工进度。
参考文献（略）