深基坑开挖及支护对临近既有铁路高路堤边坡影响的有限元数值分析

堤边坡影响的有限元数值分析:[Abstract] With the acceleration of metro construction, the impact of metro construction on the surrounding environment has become

increasingly prominent. Because the subway station is basically located in the city, the surrounding environment ofthe station is more complex,

how to better control the impact of the surrounding environment in the construction process is particularly important. This paper mainly discusses the finite element numerical analysis of the influence of excavation and support of deep foundation pit on the slope of high embankment near existing railway.【关键词】深基坑开挖及支护；既有铁路;高路堤;有限元[Keywords ]deep foundation pit excavation and support ； existing railway ；high embankment ； finite element【中图分类号JTU473

[DOI] 10.13616/j.cnki.gcjsysj .2019.06.016【文献标志码】A 【文章编号】1007-9467 (2019)06-0047-031引言自1971年北京开通国内第一条地铁线至今，国内已有35

影响尤为重要。本文以昆明轨道交通云大西路站深基坑开挖

方案为基础,采用有限元法分析在深基坑开挖工况下,铁路高 路堤的沉降及位移，同时，结合开挖过程中的实时监测数据情

座城市开通地铁.总运营里程超过5 000km,目前，中国内地已

况，验证基坑开挖及支护方案的可行性。有43个城市的轨道交通建设规划获得批复，地铁建设将持续 快速发展。由于地铁车站大部分位于市区，地铁车站周边建 (构)筑物较多,随着地铁建设项目的增多，在地铁车站建设中 不可避免地会遇到各种复杂的周边环境。为了确保地铁建设

2工程概述昆明轨道交通云大西路站位于昆明市经开区云大西路与 昆河铁路交叉口西侧,紧邻昆河铁路。车站深基坑距铁路路堤

的顺利进行和建设期受影响区域环境不发生较大变化，在设 坡角最近距离约为2.6m,路堤高6m,坡度为1：1.25,车站基坑 开挖深度17.5m,基坑靠近铁路路堤段基本为矩形。其位置关

计和施工过程中如何控制和减小地铁基坑开挖对周边环境的系见图lo【作者简介】张河(1985 ~ )，男,湖北斬春人,工程师,从事隧道与地 下工程研究。基坑围护结构拟采用lm厚地连墙+三道混凝土内支撑, 随挖随撑。47工程建设与设计Constructsn& Design ForProject表1弹性材料相关参数名称E2.20x1073.00x107Vy

25 25 25

K“111y.sate_o加固土体(C15)0.20.20.22121210.50.50.5混凝土支撑(C30)地下连续墙(C35)3.15X107表2名称土层相关参数VE35 000y182219.721C163332粉质黏土 2—2— 10.350.230.2911卵石2-13粉质黏土 2-2320 00060 0004012.432圆砾2-11粉土 2-5280 00070 00060 0()00.2533200.30.2519.6201820全风化砂岩夹泥岩25-1-128强风化砂岩夹泥岩25-1-2300 0000.2223340中风化砂岩夹泥岩车站基坑开挖及支护对铁路路堤的影响主要由铁路轨道 的沉降及位移变化体现。基坑围护结构的计算,应根据施工中

25-1-3420 0000」50.212520335532路堤填土180 00038开挖、架撑、浇注混凝土、拆撑等过程,按平面问题进行分析, 分阶段进行内力分析并检算长期使用阶段的强度。在施工阶 段，按“增量法”计算，需计入结构先期的位移值以及支撑的变 形，按先变形后支撑的原则进行结构分析。3. 2模型单元类型及有限元计算公式在进行有限元数值模拟时,土体、混凝土支撑、地下连续 墙均假定为连续介质，其中土体定义为矩形平面应变单元，混

凝土支撑、地下连续墙定义为梁单元叫由于地下连续墙与周 边土体的材料刚度相差较大，软件通过在梁单元与土体单元

为安全起见,计算选择最不利剖面(即基坑距路堤最近剖 面)采用二维有限元模型进行分析，充分模拟开挖及支护各阶

中间插入桩单元来建模，桩单元相当于线接触单元,用来分离

段工况对铁路路堤的影响。在建模时,为减小边界约束条件对计算结果的影响，计算 模型的边界范围要尽可自豳出基坑开挖的影响范围。模型水

梁单元节点和土体单元节点。在进行数值计算时，将应力应变关系或应变应力关系做

为约束条件,可得到如下胡-鹭(Hu-Washizu)变分原理P方程：

dG/JMVSuFcr+SelcrO-crJ&rqVu-fOdil

平方向范围取值原则为:收敛距离/基坑宽度=4~17,低级本构 取大值，高级本构取小值。竖直方向:坚硬岩层(尽可能到中风

(1)

式中,EG,”为外力产生的虚功;u为位移;cr为应力;e为应变；

o•⑹为用应变表示的应力;V7为应力应变关系算子。化岩层)。本模型基坑与路堤边坡同时建立,以基坑为中心，水平长

在有限元法中，将虚功原理的积分区域在1个单元

度(x方向)左右侧均取距离基坑边缘60m,竖直方向(y方向) 取到中风化砂岩夹泥岩层o模型边界约束条件为:地表及路堤

内,将位移u用形函数插值表示如下：uh=Ndr

(2)为自由；由于模型边界在基坑及路堤影响范围外,模型的X、y 方向边界均为固定约束。式中、N为形函数;必为单元节点自由度。利用应变-位移关系4P4Bd“单元内的虚功原理方程

3.1模型相关参数输入本有限元模型主要材料有土层、地下连续墙、混凝土支 撑、加固材料，相关材料釆用本构关系为:土层及加固材料采 用Mohr Coulomb本构，地下连续墙及混凝土支撑采用弹性本 构＜»表达如下：式中,D为应力-应变关系矩阵。3. 3屈服准则基坑开挖过程中考虑土体的塑性变形，在计算时采用使

主要材料特性相关参数如表1、表2所示。48用最广泛的莫尔-库伦(Mohr-Coulomb)材料模型，数值分析时基础工程设计Engineering Design ofthe Ground采用的莫尔-库伦屈服面方程为:jt /„J2,<9）=-/1Sin:二Sr'?二””?二1a 1»

式中,人为应力张量的第一不变量J为应力偏量的第二不变 量;0为罗德角;c为黏聚力;为内摩擦角。使用相关联流动法则，塑性势能函数为；g(/』”)A；Asin0+皿 | cos34Xn7/9/M»wi/n sw>/mwnn-——sin0sin0 VT日期a水平位移时态曲线-ccosV^O(5)式中,P为剪胀角。1 ss

-------25755-----------------------SEE?--------b坚向位移时态曲线4计算结果及实际监测数据在建立2D有限元模型时，主要荷载为自重和铁路列车荷

日期载,铁路为单向铁路,平时以货运为主,保守起见,列车和轨道 换算荷载按I级铁路特种型取值计算，土柱荷载宽度为3.7m,

图4水平及竖向位移时态曲线荷载强度为60.2kPa;建模时取基坑距离铁路高路堤坡脚最近 断面进行验算，主要验算在铁路最不利荷载情况下,基坑开挖 过程对铁路路堤的水平位移（X方向）及竖向位移（即沉降,y

5结语通过上述建模计算，分析了基坑开挖支护过程中,在列车

荷载作用下临近铁路路堤的位移情况。在后续实际施工过程 中，铁路路堤最大水平位移为-7.1mm,最大竖向位移为

-3.83mm,基本与计算分析结果一致。考虑到在铁路运营过程

方向）的影响。经验算，当基坑开挖到基坑底时,铁路路堤产生的水平、 竖向位移最大，具体计算结果如图2、图3所示。中,列车经过时造成的震动引起的测量误差,实际数据应该偏于安全爲为确保铁路运营安全，在基坑施工过程中施工 方与铁路局协商，列车经过该路段时均已减荷降

速。目前,地铁车站主体结构已封顶且已回填覆土, 整个施工期间.铁路路堤及其相关附属结构均安全

图2水平位移分布稳定，可保证正常使用,验证了该方案及分析方法

是可行的,为后续类似条件下贴近既有铁路的深基

坑开挖支护设计与施工提供了经验。db【参考文献】⑴郭仲衡.非线性弹性理论[M],北京科学出版社,1980.【2】德冈辰雄.理性连续介质力学入门[M].赵镇,苗天德，程

昌钧，译.北京:科学出版社,1982.图3竖向位移分布根据上述计算,在列车荷载作用下,距离铁路路堤坡脚最 近处基坑开挖过程中所造成的路堤的最大位移分别是-6.6mm

（X方向，向左为负）,-3.78mm（ 丫方向,向下为负）。[3] 胡海昌.弹性力学的变分原理及其应用[M],北京：科学出版社,

1981.[4] TB 10025—2006铁路路基支挡结构设计规范[S].实际基坑开挖施工过程中,对路堤位移进行全程监测，监【收稿日期】2019-04-0149