1、 年第 期 第 卷地基基础工程作者简介：李恒吉，男，年生，大学本科，研究方向为岩土工程。：数值模拟分析在紧邻地铁隧道的复杂基坑中的应用李恒吉（武汉理工大学，湖北 武汉）摘 要：依托某紧邻地铁隧道的复杂基坑工程实际，采用 有限元软件，对紧邻地铁隧道的复杂基坑围护结构位移、地表土体沉降及相邻地铁车站、隧道结构位移进行了研究。结果表明：无支撑围护结构的位移呈悬臂式发展；有支撑围护结构的位移呈鼓肚状发展；地表沉降呈勺型发展；基坑在开挖过程中存在明显的坑角效应。在基坑支护设计过程应以基坑变形的规律为基础，以达到安全经济的目的。关键词：基坑工程；数值模拟；围护结构变形；地表沉降；坑角效应中图分类号：文献标
2、志码：引 言基坑工程是一门综合性很强的学科，它以土体的性质为基础，又涉及到土体与结构的相互作用等诸多方面。在基坑工程问题的解答中，一般有解析法、工程经验法以及数值分析法。解析法由来已久，早在 世纪 年代，总应力法就被 和 等人提出，但发展至今，也很难实现对土压力与变形这个动态变化过程的求解。工程经验法简单明了，但主观性较强，且缺少足够的理论支撑。而数值分析法则具有科学准确、结果简明直观且能反映基坑施工整个动态过程等诸多优点。随着城市地下空间建设的发展，复杂基坑问题不断涌现，该方法已成为基坑工程分析求解中的主流方法。本文将依托某紧邻地铁隧道的复杂基坑工程实际，利用 有限元分析软件，对紧邻地铁隧道
3、的复杂基坑开挖过程中，基坑自身围护结构、周边地表土体沉降、周边地铁车站及隧道的变形等问题进行分析研究。工程概况及地质条件.工程概况拟建基坑紧邻地铁车站，车站出口与该项目的最短距离为 ，由于基坑开挖深度内均为第四系覆盖层，地质条件较差，基坑开挖对结构变形影响大。二者的总体平面布置如图 所示，基坑分两次开挖，其中一期区域的开挖深度为.，二期区域的开挖深度为.。图 总体平面布置.工程地质条件拟建场地属于滨海冲积平原地貌，建设影响范围内的地层均属于海相、陆相沉积地层，从上往下依次是：杂填土（）、黏土（）、粉质黏土（）、粉土（）、粉质黏土（）、粉质黏土（）、粉砂（）。.基坑围护结构及支撑设计基坑围护结构
4、采用钻孔桩内支撑的支护形 年第 期 第 卷地基基础工程式，其中一期开挖区域的围护桩长度为.，二期开挖区域的围护桩长度为.，横向共设置两道支撑，均为 强度的混凝土撑。数值分析.模型建立考虑到基坑开挖规模、深度以及地铁车站的空间范围，拟定三维有限元模型尺寸为 （），共计 个单元。基坑与地铁结构空间示意如图 所示。.模型参数（）支撑。本工程共设置两道混凝土撑，利用梁单元进行模拟，取弹性模量为 ，泊松比为.。（）围护桩。通过抗弯刚度等效原则，将围护桩等效成地下连续墙。利用板单元进行模拟，取弹性模量为 ，泊松比为.。（）接触面：采用无厚度的古德曼单元模拟围护结构与岩土体之间的接触面。法向刚度 ，切向刚度
5、 。（）土体。采用实体单元，硬化土模型，所选土层参数如表 所示。图 基坑与地铁结构空间示意表 土层物理力学参数表土层（）（）杂填土.黏土.粉质黏土.粉土.粉质黏土.粉质黏土.粉土.粉土.注：土体弹性模量根据深度范围不同，取分级压缩模量。结果与分析.围护结构变形分析基坑开挖完成时，围护结构位移云图如图，最大位移见表。由图可知，围护结构变形主要有三种形式：一期部分的围护结构位移，在、方向上均呈悬臂式分布；二期部分的围护结构位移，在、方向上均呈两头小、中间大的鼓肚状分布；中间部分的围护结构在 方向的变形较为复杂，在其上侧近似于悬臂状分布，在其下侧近似于鼓肚状分布，体现了该处结构的 向位移受两个开挖区
6、域的共同影响，在基坑开挖过程中呈主要控制作用。此外，围护结构变形较大的位置往往集中在一侧中部，而坑角处的变形较小，反映了基坑开挖过程中存在明显的坑角效应。.表层土体的沉降分析基坑开挖完成后，表层土体的沉降云图如图，在基坑一侧的中部，地表沉降呈先增大后减小的勺型发展；坑角处的沉降比基坑一侧中部要小得多，反映出基坑开挖过程中存在明显的坑角效应。基坑支护设计过程中，应充分考虑坑角效应，以达到安全经济的目的。.车站结构及隧道变形分析.车站结构变形分析基坑开挖完成后，车站结构的位移云图如图，变形最大值出现在车站出口处，反映出离基坑越李恒吉：数值模拟分析在紧邻地铁隧道的复杂基坑中的应用（）方向 （）方向图
7、 围护结构位移云图表 围护结构最大位移单位：位置一期部分.中间部分.二期部分.注：中间部分是指一期开挖基坑与二期开挖基坑相接触部分的围护结构，表中数据为绝对值。近的位置受基坑开挖引起的变形越大。车站结构在 向的最大位移为.，在 向的最大位移为.，在 向的最大位移为.，均满足规范要求。图 表层土体沉降云图.隧道结构变形分析基坑开挖完成后，隧道结构的位移云图如图，由图可知，隧道结构位移控制较好，隧道结构 向的 最 大 位 移 为.，向 最 大 位 移 为.，向的最大位移为.。（）方向（）方向（）方向图 车站结构位移云图 年第 期 第 卷地基基础工程（）方向（）方向（）方向图 隧道结构的位移云图 结
8、 论采用 有限元软件对紧邻地铁隧道的复杂基坑工程开挖施工过程进行了模拟研究，并对基坑围护结构位移、地表土体沉降及邻近地铁车站与隧道结构的变形进行了分析研究，结果表明：（）围护结构位移、地表土体沉降及邻近地铁车站与隧道结构的变形均满足规范要求，该基坑结构设计的安全性有充足保障。（）受基坑开挖的影响，无支撑围护结构的位移呈悬臂式发展趋势，有支撑围护结构的位移呈鼓肚状发展。（）受基坑开挖的影响，基坑中侧的地表沉降呈勺型发展。（）基坑在开挖过程中存在明显的坑角效应。（）不同基坑支撑体系下结构及土体形变具有不同的变形特征，在基坑支护设计过程应以基坑变形的规律为基础，以达到安全经济的目的。参 考 文 献
9、刘国彬，王卫东基坑工程手册北京：中国建筑工业出版社，：，：金晓飞，梁书亭，朱筱俊，等软土地区深基坑连续墙最大变形简易计算方法岩土力学，（）：乔亚飞，丁文其，王军，等无锡地区地铁车站深基坑变形特性岩土工程学报，（）：汪东林，汪磊紧邻既有高速公路偏压地铁深基坑围护结构变形监测与数值模拟研究 建筑结构，（）：徐江，龚维明，穆保岗，等软土区某地铁深基坑施工过程数值模拟及现场监测东南大学学报（自然科学版），（）：刘波，席培胜，章定文偏压作用下非等深基坑开挖效应数值分析东南大学学报（自然科学版），（）：中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局建筑基坑工程监测技术标准：北京：中国计划出版社，（本文收稿：）