adina在深基坑開挖過程中對地鐵的影響分析

ADINA在深基坑開挖過程中對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。近幾年我國經(jīng)濟(jì)保持較快地增長,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受到這樣或那樣的工程活動影響,臨近區(qū)域工程活動是較常見的,對隧道產(chǎn)生重大影響的因素,其中包括建筑基坑的開挖。因此,對于理論研究和工程實踐而言,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)某一個毗鄰地鐵隧道的基坑實際工程為背景,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)變形值與實測值比較,分析其可行性,為設(shè)計和施工提供依據(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層會所組成。距離地鐵一號線隧道外邊線僅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、對稱、平衡、限時”挖土支撐?；訃o(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?；滓韵虏捎盟鄶嚢铇稘M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有限元計算模型

隧道的變形要求極其嚴(yán)格,結(jié)構(gòu)絕對最大位移不能超過20mm,變形曲線的曲率半徑不小于15000m,相對彎曲不大于1/2500。為保護(hù)地鐵的正常營運(yùn),對毗鄰隧道的基坑施工方案需要認(rèn)真分析。根據(jù)基坑開挖的實際過程,將其簡化為如下幾個階段,以利于有限元模擬計算。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,及時進(jìn)行墊層和底板的施工。

整個模擬過程涉及了土體的加固、開挖和底板施工,計算時根據(jù)工程實際情況,坑底土體的加固深度取為4m,底板取為1.5m。模擬計算采用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)。模擬實際工程具體的實現(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)的生死時間;第三,進(jìn)行運(yùn)算,提取后處理結(jié)果;第四,用計算結(jié)果采用DEFAULITRESPONSE-COMBINATION,求隧道的相對位移即隧道的真實位移。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過程中都是向上移動的,圖4中ADIND模擬分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)在各開挖階段比較一致。但計算結(jié)果與實測結(jié)果,在各個階段卻有偏差,而且均顯現(xiàn)出偏大的結(jié)果。這是因為基坑支護(hù)時采用地下連續(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,土體的開挖時通過生死單元控制,瞬間挖去與實際有一定的偏差。故而模擬的結(jié)果較實際偏大?？傮w而言,ADINA模擬的結(jié)果與實測結(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。開挖到第三個階段時,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的趨勢。4結(jié)論

本文對上海地區(qū)一個毗鄰地鐵隧道基坑的實際工程采用ADINA軟件對基坑進(jìn)行二維有限元模擬,并根據(jù)后處理結(jié)果對基坑變形進(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)果與實測有一定的偏差。一方面是由于理論本身的不足。但更重要的是對模擬參數(shù)的選取,能否把具體的工程,抽象為適合于ADINA計算;選取更接近于實際的參數(shù)是模擬成功的關(guān)鍵之所在。

(2)模擬的結(jié)果和實測雖有偏差,但總的來說是工程允許的?？梢詾閷嶋H工程的設(shè)計和施工提供值得信