adina在深基坑開挖過程中對(duì)地鐵的影響分析

ADINA在深基坑開挖過程中對(duì)地鐵的影響分析地鐵作為現(xiàn)代城市的交通主要干線,其安全性十分重要。近幾年我國(guó)經(jīng)濟(jì)保持較快地增長(zhǎng),交通問題也日益嚴(yán)重,好多城市為了改善交通都在積極地準(zhǔn)備或已經(jīng)在建地鐵。但隨著城市建設(shè)發(fā)展的需要,地鐵隧道在其使用階段不可避免地會(huì)受到這樣或那樣的工程活動(dòng)影響,臨近區(qū)域工程活動(dòng)是較常見的,對(duì)隧道產(chǎn)生重大影響的因素,其中包括建筑基坑的開挖。因此,對(duì)于理論研究和工程實(shí)踐而言,解決城市建設(shè)發(fā)展與地鐵保護(hù)雙重需要的矛盾具有重要的意義。以上海地區(qū)某一個(gè)毗鄰地鐵隧道的基坑實(shí)際工程為背景,采用二維有限元分析方法,應(yīng)用通用非線性有限元軟件ADINA,對(duì)其進(jìn)行模擬分析,在后處理中提取支護(hù)結(jié)構(gòu)變形值與實(shí)測(cè)值比較,分析其可行性,為設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。1工程概況

工程是由一幢39層高的辦公樓、3層商業(yè)樓、3層會(huì)所組成。距離地鐵一號(hào)線隧道外邊線僅3.8m,隧頂埋深約-12.7m?；诱嫉孛娣e4400㎡,開挖深度9.2m,屬深基坑工程,基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁及厚承臺(tái)板。施工區(qū)域土體自上而下分為以下土層:(1)雜填土,上部夾碎磚、石子等雜物,下部以素填土為主,層厚(1.00～3.40)m;(2)粘土,含云母及鐵錳結(jié)核,層厚(0.5～2.1)m;(3)灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,飽和,中～高壓縮性,夾粉砂薄層,層厚為(2.55～5.60)m;(4)灰褐淤泥質(zhì)粘土,流塑,中壓縮性,夾薄層粉砂,層厚為(7.40～10.0)m;(5)粘土,飽和軟塑,中～高壓縮性,層厚(3.00～5.60)m,地下水位在地面下0.5m處。土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

工程區(qū)段地鐵隧道處于含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低、流變性大的飽和軟粘土層中,極易受到毗鄰的深基坑開挖而造成周邊土層移動(dòng)的影響。在施工工藝和施工參數(shù)上初步采用“先中間后四周”的盆式挖土方式,做到“分層、分區(qū)、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”挖土支撐。基坑圍護(hù)采用18m深地下連續(xù)墻,墻頂設(shè)置鋼筋混凝土壓頂圈梁以增強(qiáng)維護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性。基底以下采用水泥攪拌樁滿堂加固,地鐵隧道側(cè)加固寬度達(dá)10m,水泥摻量為15%,基底以上為8%,深層攪拌樁加固區(qū)與地下連續(xù)墻的縫隙處進(jìn)行了壓密注漿。同時(shí)由于基坑有9m左右的深度,故采用兩道水平支撐。2有限元計(jì)算模型

隧道的變形要求極其嚴(yán)格,結(jié)構(gòu)絕對(duì)最大位移不能超過20mm,變形曲線的曲率半徑不小于15000m,相對(duì)彎曲不大于1/2500。為保護(hù)地鐵的正常營(yíng)運(yùn),對(duì)毗鄰隧道的基坑施工方案需要認(rèn)真分析。根據(jù)基坑開挖的實(shí)際過程,將其簡(jiǎn)化為如下幾個(gè)階段,以利于有限元模擬計(jì)算。第一階段:坑底土體加固;第二階段:開挖第1層土體并加首道鋼支撐;第三階段:開挖第2層土體并加第2道支撐;第四階段:開挖第3層土體;第五階段:開挖坑底土體,及時(shí)進(jìn)行墊層和底板的施工。

整個(gè)模擬過程涉及了土體的加固、開挖和底板施工,計(jì)算時(shí)根據(jù)工程實(shí)際情況,坑底土體的加固深度取為4m,底板取為1.5m。模擬計(jì)算采用2D模型,土體采用Mohr-Coulomb材料模型,基底的加固區(qū)、底版、擋土墻,還有隧道的內(nèi)支護(hù)均采用Elastic-Isotropic單元模擬,利用ADINA單元生死功能模擬基坑開挖和支護(hù)的全過程(盆式開挖法)。模擬實(shí)際工程具體的實(shí)現(xiàn)步驟:第一,建立模型,施加重力,在原模型中加入支護(hù)結(jié)構(gòu),設(shè)置邊界條件及荷載;第二,使用ADINA中的單元生死功能,按照實(shí)際工程開挖順序設(shè)置被挖土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的生死時(shí)間;第三,進(jìn)行運(yùn)算,提取后處理結(jié)果;第四,用計(jì)算結(jié)果采用DEFAULITRESPONSE-COMBINATION,求隧道的相對(duì)位移即隧道的真實(shí)位移。3模擬結(jié)果的分析

基坑部分的開挖使其周圍產(chǎn)生了較大的附加應(yīng)力,基坑周圍土體發(fā)生失穩(wěn)破壞,產(chǎn)生位移,進(jìn)而引發(fā)隧道位移。

由圖2和圖3可知,土體變形的影響范圍大約在20m左右,但在縱向上的土體的變形明顯比橫向要大,而且越靠近基坑中間,其位移就越大,縱向的最大位移位于隧道的右下方。以下對(duì)施工開挖各階段隧道變形情況進(jìn)行分析。

坐標(biāo)值全為正值,說明隧道在施工開挖的整個(gè)過程中都是向上移動(dòng)的,圖4中ADIND模擬分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在各開挖階段比較一致。但計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果,在各個(gè)階段卻有偏差,而且均顯現(xiàn)出偏大的結(jié)果。這是因?yàn)榛又ёo(hù)時(shí)采用地下連續(xù)墻。而地下連續(xù)墻體一般都能達(dá)到自防滲,不會(huì)產(chǎn)生滲漏情況[2]。所以在模擬的過程中認(rèn)為坑內(nèi)降水對(duì)土體的最終變形影響不大。故在模擬中未考慮降水。加之,土體的開挖時(shí)通過生死單元控制,瞬間挖去與實(shí)際有一定的偏差。故而模擬的結(jié)果較實(shí)際偏大?？傮w而言,ADINA模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相比較,其結(jié)果是合理的。隧道變形小于20mm,滿足隧道變形規(guī)定。

圖5顯示了在施工各個(gè)階段基坑底部土體在縱向的變形,在第一階段即加固階段,其取值為負(fù),說明土體下沉,這主要是由于加固所致。隨后土體變形為正,說明土體開始上浮,這是由于基坑上部土體被挖去,土體荷載卸去所致。在開挖的前兩個(gè)階段變形較大,是由于一開始當(dāng)土體被挖去之后,其附加應(yīng)力較大。開挖到第三個(gè)階段時(shí),上浮變緩,是由于前兩階段的土體上浮變形嚴(yán)重削弱了附加應(yīng)力。在第五個(gè)階段,取值開始變小,是由于加了底板,遏制了土體上浮變形的進(jìn)一步發(fā)展。

圖6顯示了隧道斷面上最上端、最下端、最左端、最右端的位移變化情況。從圖6可以讀出,隧道的最上端和最右端變化最大,說明隧道的有向右下的移動(dòng)的趨勢(shì)。4結(jié)論

本文對(duì)上海地區(qū)一個(gè)毗鄰地鐵隧道基坑的實(shí)際工程采用ADINA軟件對(duì)基坑進(jìn)行二維有限元模擬,并根據(jù)后處理結(jié)果對(duì)基坑變形進(jìn)行分析比較,得出以下結(jié)論:

(1)ADINA模擬功能十分的強(qiáng)大,但模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)有一定的偏差。一方面是由于理論本身的不足。但更重要的是對(duì)模擬參數(shù)的選取,能否把具體的工程,抽象為適合于ADINA計(jì)算;選取更接近于實(shí)際的參數(shù)是模擬成功的關(guān)鍵之所在。

(2)模擬的結(jié)果和實(shí)測(cè)雖有偏差,但總的來說是工程允許的。可以為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供值得信