1、97 6.三维有限元分析三维有限元分析 为准确分析本工程基坑开挖对地铁 5 号线莫干山路站产生的影响，采用大型商业通用有限元分析软件 Midas GTS 按连续介质有限元方法进行弹塑性分析。Midas GTS 软件可进行三维建模，具有强大的非线性分析能力，内含多种土体和岩体本构模型，适于大型岩土工程的变形及稳定性分析，在国内外岩土工程数值分析中得到广泛的应用。通过建立全尺寸的三维模型，根据道路施工的全过程中各具体施工步，采用“激活钝化”的方式控制各层土体加固，围护桩施工，土方开挖，路面施工及堆载的设置，根据基坑工程施工工况模拟基坑开挖全过程，最终对围护结构、邻近地铁隧道和周边地层的变形和内力做2、出合理的预测。6.1 模型参数的选取模型参数的选取 1 模型概况 该项目简化后的模型如下图所示，根据基坑的影响范围，合理选取模型尺寸可减少边界条件对计算结果的影响。计算模型尺寸为 250m（X 方向）*180m（Y方向）*50m（Z 方向），整个项目工况均建立在同一模型中。图 6.1.1 GTS 数值模型示意图 98 图 6.1.2 GTS 数值模型核心区示意图 2 本构模型 本工程中土体材料与桩土界面采用的是土体硬化模型(HS模型)，是一种高级土体模型。不同于理想弹塑性模型，土体硬化模型的屈服面在主应力空间中不是固定的，而是随着塑性应变的发生而扩张。HS模型是一个可以模拟包括软土和硬土在内的3、不同类型的土体行为的先进模型，大量用于基坑开挖、地铁结构推进等工程的有限元模拟，模拟结果与实际情况吻合较好，并积累了大量的有限元模拟计算经验。HS模型的计算参数主要根据岩土工程勘察报告取用，具体见表6.1，部分参数通过地勘报告结合理论、经验及软件说明中的公式进行推导反演分析获得。根据岩土工程勘察报告钻孔资料,按钻孔Z34中实际土层厚度进行建模,土层参数C，按地勘报告取值，弹性模量及卸荷回弹模量按按表6.1取值。计算中结构材料，如围护桩、地连墙、支撑、支撑板等材料采用弹性模型进行模拟。3 模型参数 计算中不同分层土体的模型参数、重度、侧压力系数等参数部分从地质勘察报告中得到。勘察报告给出的变形参4、数是压缩模量，压缩模量的计算中考虑了很大一部分塑性变形。类似基坑开挖过程中，绝大部分土体处于卸荷状态，因此，实际岩土体的弹性模量要大于压缩模量，与回弹模量相近，土体的弹性模量与埋深密切相99 关，参数如下表所示。表 6.1.1 土体计算参数表 土层 标号 土层 名称 土层重度（kN/m）粘聚力（kPa）内摩擦角（）压缩模量 ES MPa 割线刚度 E50 MPa 卸载模量EurMPa-0 杂填土 17.0 5 10 3.2 3.2 16 粉质粘土 18.70 22.0 22.0 5.5 5.5 27.5 淤泥质粘土 16.90 15.0 9.5 2.2 2.5 15.4-1 粉质粘土 18.95、0 45.0 21.4 6.5 6.5 32.5-1-2 粉质粘土夹粉土 18.40 30.0 18.9 5.8 5.8 29-2 淤泥质粉质粘土 17.70 11.5 9.5 3.5 3.5 25.5-1 粉质粘土 19.40 (39.0)(21.3)7.0 7.0 35-2-1 粉质粘土 19.20 (43.0)(23.2)8.5 8.5 42.5-1 粘土 18.70 (40.4)(24.4)11.5 11.5 57.5 表 6.1.2 弹性单元参数 砼等级 截面 mm A m Ix m4 备注 1000 咬合桩 C30 1000 0.785/根 4.91e-2/根 1200 咬合桩 C6、30 1200 1.130/根 0.1017/根 800 地下连续墙 C30 800 0.8/m 4.27e-2/m 混凝土支撑 C30 具体详截面自动计算 自动计算 板按厚度考虑 钢管支撑 609 t16 2.981e-2/根自动计算 4 边界约束 模型边界采用标准约束形式，在侧向边界面施加水平方向约束（X 方向 UX=0，Y 方向 UY=0），在模型底面施加竖直方向约束（UZ=0）。边界约束如下图所示。100 图 6.1.3 模型边界条件 5 网格划分及单元类型 为保证网格划分质量，土体种子（SEED）间距为 46m。总共单元数为 122923。网格划分图下图。图 6.1.4 模型网格划分7、一览 6.2 模型建立模型建立 1 相互关系 利用单元激活、钝化（单元生死）来模拟莫干山路车站、基坑土体的开挖等步骤。2 模型分析步 101 根据杭政储出（2015）10 地块施工初步进度计划表和 SG5-7 标总体施工计划推断，两侧属于同期施工，为分析杭政储出（2015）10 地块施工对地铁的影响，分为两个模型进行计算：模型模型 1（车站基坑开挖到底）：SG5-7 标先行施工到底后，杭政储出（2015）10 地块开始逐步开挖施工到底，观察杭政储出（2015）10 地块开挖对 SG5-7 标处于基坑开挖到底时最危险工况下的增量影响。模型模型 2（车站结构施工完成）：SG5-7 标已完成车站结构8、，杭政储出（2015）10 地块开始逐步开挖施工到底，观察杭政储出（2015）10 地块开挖对 SG5-7 标处于结构施工完成时的增量影响。杭政储出（2015）10 地块施工初步进度计划表 SG5-7 标总体施工计划 主要分项工程主要分项工程 主要工程量主要工程量 施工时间（月）施工时间（月）开始施工时间开始施工时间 结束施工时间结束施工时间 A 区基坑土方开挖 长 260m 7 2017/3/26 2017/12/10 A 区结构 长 260m 10 2017/4/30 2018/2/18 B 区基坑土方开挖 长 135m 6 2017/6/8 2017/12/24 B 区结构 长 135m9、 7 2017/7/23 2018/2/27 编 号 项目 名称 单 位 工程 总量 工程进度（日）（2017 年 2 月 13 日，2017 年 12 月 31 日）2 月 3 月 4 月5 月6 月7 月8 月9 月 10 月 11 月12 月1 围护桩 根 400 2 工程桩 根 324 3 高压旋喷 根 550 4 土方开挖 方 15 万 5 基础施工 说明：1、土方开挖与基础施工要交叉配合施工。2、基础到 12 月底，施工到地下室负 1 层地板。102 C 区(换乘节点）基坑土方开挖 长 36m 3 2018/2/10 2018/5/13 C 区(换乘节点）结构 长 36m 3 2010、18/5/14 2018/8/16 D 区基坑土方开挖 长 62m 4 2017/7/25 2017/11/11 D 区结构 长 62m 5 2017/8/29 2018/1/20 具体施工步如下表所示：表 6.2.1a 施工步骤一览表（模型 1,车站基坑开挖到底）工况 01 初始应力场平衡 工况 02 激活站点地连墙、逐步激活车站支撑，并开挖到底 工况 03 位移清零 工况 04 激活围护桩，激活第一道支撑 工况 05 开挖第一层土，激活第二道支撑 工况 06 开挖第二层土，激活第三道支撑 工况 07 开挖第三层土，激活联络通道支撑 工况 08 开挖联络通道 表 6.2.1b 施工步骤一览表11、（模型 2,车站结构施工完成）工况 01 初始应力场平衡 工况 02 激活站点地连墙、激活车站结构 工况 03 位移清零 工况 04 激活围护桩，激活第一道支撑 工况 05 开挖第一层土，激活第二道支撑 工况 06 开挖第二层土，激活第三道支撑 工况 07 开挖第三层土，激活联络通道支撑 工况 08 开挖联络通道 6.3 模型整体变形和内力分析（模型模型整体变形和内力分析（模型 1 车站基坑开挖到底）车站基坑开挖到底）【目的】为分析在勘察报告所提供指标下，杭政储出（2015）10 地块施工对地铁的影响。【分析方法】采用表 6.1.1、表 6.1.2 所提供的参数指标，按照表 6.2.1a 施工12、步骤一览表工况步骤进行分析计算。【分析结果】如下所示 103 工况 05：开挖第一层土 工况 05 围护及车站水平位移（mm）工况 05 地铁车站地连墙水平方向位移（mm）工况 05 地铁结构竖向位移（mm）104 工况 06：开挖第二层土 工况 06 围护及车站水平位移（mm）工况 06 地铁车站地连墙水平方向位移（mm）工况 06 地铁结构竖向位移（mm）105 工况 07：开挖第三层土 工况 07 围护及车站水平位移（mm）工况 07 地铁车站地连墙水平方向位移（mm）工况 07 地铁结构竖向位移（mm）106 工况 08：开挖联络通道 工况 08 围护及车站水平位移（mm）工况 08 13、地铁车站地连墙水平方向位移（mm）工况 08 地铁结构竖向位移（mm）107 随着基坑逐步向下开挖，基坑水平位移最大值出现位置并非在基坑中部，而是在基坑中部偏东，12 轴14 轴位置。中部变形小应该与联络通道围护桩具有较好的刚性，对中部土体起到了顶撑作用有关；12 轴14 轴位置变形大，可能与联络通道坑中坑开挖，同时东南角 2 处支撑开洞，未设板，支撑刚度较弱有关。根据模型 1 计算结果，南侧围护最大水平位移 36.91 mm，车站地连墙最大水平位移 11.75 mm，方向向基坑开挖方向，最大隆起 4.65 mm，以上最大变形均出现在工况 08，即联络通道开挖到底为最大变形位置。表 6.3.114、 位移变化表（模型 1）序号 工况 南侧围护 水平位移（mm）车站地连墙 最大位移（mm）车站地连墙 最大水平位移（mm）车站地连墙 最大竖向位移（mm）1 工况 05：开挖第一层土 9.73 4.15 3.82 1.74 2 工况 06：开挖第二层土 18.60 7.93 7.14 3.11 3 工况 07：开挖第三层土 35.50 13.56 11.14 4.51 4 工况 08：开挖联络通道 36.91 13.89 11.75 4.65 6.4 模型整体变形和内力分析（模型模型整体变形和内力分析（模型 2 车站结构已完成）车站结构已完成）【目的】为分析在勘察报告所提供指标下，杭政储出（215、015）10 地块施工对地铁的影响。【分析方法】采用表 6.1.1、表 6.1.2 所提供的参数指标，按照表 6.2.1b 施工步骤一览表工况步骤进行分析计算。【分析结果】如下所示 108 工况 05：开挖第一层土 工况 05 围护及车站水平位移（mm）工况 05 地铁车站水平方向位移（mm）工况 05 地铁结构竖向位移（mm）109 工况 06：开挖第二层土 工况 06 围护及车站水平位移（mm）工况 06 地铁车站水平方向位移（mm）工况 06 地铁结构竖向位移（mm）110 工况 07：开挖第三层土 工况 07 围护及车站水平位移（mm）工况 07 地铁车站水平方向位移（mm）工况 0716、 地铁结构竖向位移（mm）111 工况 08：开挖联络通道 工况 08 围护及车站水平位移（mm）工况 08 地铁车站水平方向位移（mm）工况 08 地铁结构竖向位移（mm）112 随着基坑逐步向下开挖，基坑水平位移最大值出现位置并非在基坑中部，而是在基坑中部偏东，12 轴14 轴位置。中部变形小应该与联络通道围护桩具有较好的刚性，对中部土体起到了顶撑作用有关；12 轴14 轴位置变形大，可能与联络通道坑中坑开挖，同时东南角 2 处支撑开洞，未设板，支撑刚度较弱有关。根据模型 2 计算结果，南侧围护最大水平位移 34.54 mm，车站结构最大水平位移 7.49mm，方向向基坑开挖方向，最大隆起17、 3.42mm，以上最大变形均出现在工况 08，即联络通道开挖到底为最大变形位置。表 6.4.1 位移变化表（模型 2）序号 工况 南侧围护 水平位移（mm）车站结构 最大位移（mm）车站结构 最大水平位移（mm）车站结构 最大竖向位移（mm）1 工况 05：开挖第一层土 9.33 4.12 3.82 1.74 2 工况 06：开挖第二层土 17.91 4.88 4.56 2.24 3 工况 07：开挖第三层土 33.66 7.93 7.16 3.32 4 工况 08：开挖联络通道 34.54 8.56 7.49 3.42 6.5 结论结论 根据模型 1 计算结果，南侧围护最大水平位移 36.18、91 mm，车站地连墙最大水平位移 11.75 mm，方向向基坑开挖方向，最大隆起 4.65 mm，以上最大变形均出现在工况 08，即联络通道开挖到底为最大变形位置。根据模型 2 计算结果，南侧围护最大水平位移 34.54 mm，车站结构最大水平位移 7.49mm，方向向基坑开挖方向，最大隆起 3.42mm，柱基间距沉降差 0.325，轨道横向高差 1.14mm，以上最大变形均出现在工况 08，即联络通道开挖到底为最大变形位置。以上变形均满足地铁集团变形控制要求。113 表 6.5.1 过街通道连通口部开挖引起隧道变形汇总表 序号 项目 模型 数值 控制标准 是否满足 备注 1 总位移极值 模型 1 13.89 mm 模型 2 8.56 mm 2 水平位移极值 模型 1 11.75 mm 15mm 满足 向北侧模型 2 7.49 mm 满足 3 竖向位移极值 模型 1 4.65 mm 15mm 满足 模型 2 3.42 mm 满足 4 柱基间距沉降差 模型 1-2L 满足 模型 2 0.325L 满足 5 轨道横向高差 模型 1-4 mm 满足 模型 2 1.14mm 满足