地铁车站开挖方法优化数值模拟研究

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1、地铁车站开挖方法优化数值模拟研究　　摘要：为了得出洞桩法工法施工开挖的最优施工方法.本文运用有限元方法，采用数值软件进行模拟，建立了车站施工模型，对4种开挖方案的施工过程所引起的拱顶沉降及地表沉降分别进行了数值模拟.对比了4种方案对拱顶沉降和地表沉降的影响.关键词：地铁车站;洞桩法;数值模拟;扣拱中图分类号：U231+.4文献标识码：A洞桩法工法是地铁车站的一种施工方法.但群洞效应影响下的若干个导洞开挖顺序仍然是个问题，不同的开挖顺序会对沉降产生不同的影响[6-9]，所以找出一种较为合理地开挖顺序使得施工对沉降的影响降至最小还是很有必要的.笔者通过对4种开挖方案的模拟对比

2、分析，得出最优的开挖方法.1．工程概况1.1地铁车站位置地铁站位于天津某车站，周边环境选择有代表性的建筑商贸大厦，商贸大厦采用独立柱基础，建筑层数为5层，地下两层，负二层标高为-9.6m.建筑物的宽度为72m，基础的标高为-13m.1.2施工方案设计6为了得到不同施工工序的群洞小导洞相互影响，笔者选取了4种不同导洞开挖顺序，进行数值分析，以便得到相互影响最小的合理导洞开挖顺序.导洞开挖方案Ⅰ是首先同时开挖两侧边导洞，然后同时开挖车站中轴线位置的两个导洞；导洞开挖方案Ⅱ先开挖中部下层导洞，然后同时开挖两侧边导洞，最后开挖中部上层导洞；导洞开挖方案Ⅲ首先同时开挖上层3个导洞，

3、然后再开挖下层导洞；导洞开挖方案Ⅳ首先开挖中部下层导洞，然后同时开挖上层3个导洞，2．数值模拟2.1模拟软件笔者采用ANSYS软件进行模拟，ANSYS软件不仅具有岩土分析所需的基本分析功能，并为用户提供了包含最新分析理论的强大的分析功能，可以对复杂的几何模型进行可视化的直观建模.另外，ANSYS求解器能提供最快的运算速度，后处理中能以表格，图形，图表形式自动输出简洁实用的计算书.通过应力、应变和位移分析，寻求一种判别标准，以便识别潜在的破坏区，并给出基坑稳定性的定量指标，这对于基坑的稳定性的评价和支护设计具有实际意义.2.3荷载简化6商贸大厦采用独立柱基础，为使建筑荷载更

4、真实地作用在主体结构上，下部独立柱深入土体，使建筑物的荷载全部集中在箱基上，并将其属性进行修正.根据大量工程设计的结果，钢筋混凝土高层建筑结构的竖向荷载平均值为15kPa，商业建筑的楼面活荷载标准值为3.5kPa.在不考虑地震作用的情况下，荷载效应组合的设计值为S=.（1）式中:S为荷载效应组合的设计值；为永久荷载分项系数，当永久荷载效应起控制作用时取1.35；为楼面活荷载分项系数，一般情况下取1.4；SGK为永久荷载效应标准值；SQK为楼面活荷载效应标准值；为楼面活荷载组合值系数，当永久荷载效应起控制作用时取0.7.按照式（1）计算得出建筑荷载的设计值为23.68kPa

5、.基本可变荷载主要为地面超载，人群荷载，施工荷载和设备荷载，模型中按均布荷载20kPa考虑.2.4模型建立6整个分析区域x、z方向尺寸为150m×80m.模型取竖直向上为z正方向，x正方向按左手法则确定，计算模型如图3.已知边界条件均取为位移约束条件,其中上部边界为自由边界，下部边界固定z方向位移,左右边界固定x方向位移.计算时的荷载主要为周边建筑荷载、基本可变荷载和土自重，采用平面应变弹塑性本构模型进行分析.围岩采用四边形实体单元模拟，衬砌采用二维梁单元模拟.3数值模拟结果分析3.1导洞开挖方案拱顶沉降对比分析导洞开挖拱顶沉降的模拟数据见表1，表1各方案导洞开挖拱顶沉降

6、分析各方案导洞开挖的拱顶最终沉降值，明显看出导洞开挖方案Ⅰ各导洞拱顶沉降值均小于其他方案.导洞开挖方案Ⅱ导洞开挖方案Ⅳ是先开挖中部下层导洞，按照这两个方案进行施工的中部下层导洞的拱顶沉降大于其余两个方案.原因分析为下部到洞开挖对上部分土体产生松动效应.导致上部分导洞开挖时，产生的沉降较大.导洞开挖方案Ⅲ导洞开挖方案Ⅳ是上层3个导洞同时进行开挖，从模拟数据可以看出，按照这两个方案开挖的中部上层导洞拱顶沉降大于其余两个方案，因此可以得出由于3个导洞同时开挖的相互影响，增大了中部导洞的拱顶沉降.3.2导洞开挖方案地表沉降分析拱顶沉降在一定程度上反映了地表沉降的情况.表2中给出了

7、按照4种导洞开挖方案施工时，距车站横断面中轴线不同距离处地表最终沉降值，6表2各方案开挖导洞地表沉降根据对表2中数据分析，虽然导洞开挖方案Ⅰ各点的地表沉降小于其他方案，但其优势并不明显，与方案Ⅱ比在各点的地表沉降仅仅减少约1mm.按照方案Ⅲ方案Ⅳ行导洞开挖最后得到的地表沉降几乎相同，也就是说先开挖上层导洞或是先开挖下层导洞对地表沉降影响不明显.4.结论（1）考虑PBA工法中导洞开挖施工中的群洞效应对拱顶沉降及地表沉降的影响，分析4种方案对拱顶沉降和地表沉降的影响，方案Ⅰ在拱顶沉降左、中、右、下4个部位的沉降分别为-17.7mm