摘 要

本文以昆明市地铁工程5号线滇池学院站的深基坑工程为工程背景，借助岩土单元有限元计算软件MIDAS-GTS对滇池学院站的基坑支护结构及其施工过程进了三维数值模拟，基于数值模拟结果，对比了实际工程过程中的现场监测数据，分析了基坑关键节点的位移拟合情况和变化特征，总结了该软件在模拟基坑施工过程中的优势和局限性，对于地铁基坑的施工设计和维护具有重要的指导意义。本论文主要模拟了滇池学院站的深基坑支护结构的施工过程，研究了基坑支护结构的变形规律，文中采用了MIDAS-GTS模拟的优点在于简化了基坑的整体结构，建立了三维数值模型，并精细化分工况进行了与实际施工同步的分步开挖加内支撑，对于需要细化模拟结果的工程很有参考价值，与实测数据的对比更具有同步性。

关键词：有限元分析；MIDAS-GTS；地铁深基坑；基坑支护及施工；数值模拟

Abstract

Taking the deep foundation pit engineering of Dianchi College Station of Kunming Metro Project Line 5 as the engineering background, this paper carries out three-dimensional numerical simulation of the foundation pit supporting structure and construction process of Dianchi College Station by means of geotechnical element finite element software MIDAS-GTS. Based on the numerical simulation results, the field monitoring data in the actual engineering process are compared, and the displacement fitting of key joints in the foundation pit is analyzed. The advantages and limitations of the software in simulating the construction process of foundation pit are summarized, which has important guiding significance for the construction design and maintenance of subway foundation pit. This paper mainly simulates the construction process of the deep foundation pit supporting structure of Dianchi University Station, and studies the deformation law of the foundation pit supporting structure. The advantage of MIDAS-GTS simulation is to simplify the whole structure of the foundation pit, establish a three-dimensional numerical model, and refine the step-by-step excavation and internal support synchronized with the actual construction. For the need to refine the simulation results. The project is of great reference value, and the comparison with the measured data is more synchronous.

Key Words：Finite Element Analysis; MIDAS-GTS; Metro Deep Foundation Pit; Foundation Pit Support and Construction; Numerical Simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究意义 1

1.2 深基坑工程现状 2

1.2.1 深基坑工程的特点 2

1.2.2 国内研究现状 3

1.2.3 国外研究现状 5

1.3 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案 6

1.3.1 研究基本内容 6

1.3.2 研究目标 7

1.3.3 拟采用的技术方案及措施 7

第2章 滇池学院站基坑工程支护体系设计 8

2.1 学院站概况 8

2.2 地质条件 9

2.2.1 地质构造条件 9

2.2.2 学院站地形条件 9

2.2.3 工程地质条件 10

2.2.4 场地土类型及场地类别鉴定 11

2.2.5 不良地质与特殊岩土 11

2.2.6 水文地质条件 11

2.3 基坑周边环境 12

2.3.1 地下管线 12

2.3.2 周边建（构）筑物 13

2.4 基坑支护形式比选 13

2.4.1 因地制宜选择施工方法 13

2.4.2 围护结构形式比选 14

第3章 计算建模 18

3.1 计算模型 18

3.1.1 工程案例简化 18

3.1.2 土层参数 21

3.2 建模过程 22

3.2.1 结构参数 22

3.2.2 边界条件 23

3.2.3 施工工况 24

第4章 结果分析 34

4.1 位移分析 34

4.2 实测数据结果 39

4.3 对比分析 42

第5章 结论 43

参考文献 44

致谢 46

第1章 绪论

1.1课题研究意义

近10年来，我国经济的快速增长加速了城市的发展，城市人口越来越多，交通问题越来越严重。为了解决交通问题，必须要着重进行公共交通设施建设，其中轨道交通具备运输量大、速度快、安全性高、环保耐用的优势，因此成为重中之重。许多大中城市面貌基本定型，修建轨道交通就涉及了许多工程性问题，其中深基坑支护和施工问题尤为重要。

鉴于国内大部分地铁工程的建设城市的城市整体面貌已经基本固定，所以新建或新增的地铁工程必然离不开土方的深度开挖，也就是本文的主要研究对象基坑工程。在建设建筑物时，完成其地下结构所需要进行的土方开挖、工程降水和基坑支护等被称为基坑工程^[1]，基坑工程是一项从支护体系设计到土方开挖施工全程复杂度都很高的工程，开挖过程中，必须同步进行对周边建筑和地下设施的实时监测和围护，从而保障施工过程的安全性和周边建筑的持久稳定性。在基坑工程中，本文要重点研究的是地铁深基坑的支护结构和施工方法。在地铁工程建设的过程中，比如在设计车站深基坑工程的时候，也会随之出现许多的问题，为了解决这些问题，保障工程的安全性和人民的安全性以及周边环境的稳定性，必须对车站的基坑工程的安全性、稳定性等提出更高的要求，与此同时，地下工程对邻近建筑物及地下管线等周边建构筑物造成的影响也不能被忽视^[2]。为了及时处理工程中可能产生的突发情况，避免潜在的危险，需要在基坑施工过程中对其支护体系与地表的变形情况进行全程现场监测，以此达到施工安全的二次保障。

目前来看，虽然深基坑工程支护结构的设计以及施工技术越来越趋于成熟，但还是需要进一步完善，从而确保施工的安全性和周边建（构）筑物的稳定性。通常来说，深基坑工程包含以下几个部分：支护体系的设计和施工方案的选择、土方开挖施工和支护结构安装、地下水位的人为控制和防水防渗、施工现场数据监测以及施工过程中的环保评估等等。深基坑工程中存在如强度极限、稳定性以及变形分析等诸多问题，囊括了许多学科的知识，如：土力学中的土压力计算、弹性力学的弹塑性变形、结构力学的稳定性分析、基础工程的施工控制和标准等，表现出了很高的技术水平。另外，深基坑工程的个体性很强，故分析设计时必须充分考虑各种条件，因为每一个深基坑工程的周边环境、水土条件、经济水平、环保要求等均不相同，且还有许多不确定的事件和突发问题的隐藏性因素，更加需要在实践中一步一步解决问题，当然，随着设计方案与施工技术日趋成熟，许多将要出现的问题和解决方法会被提前预知，这就大大加大了施工的方便，但是不可避免的新问题也会慢慢浮现，亟需解决。新问题中尤为重要的是深基坑支护结构的稳定性问题，通常支护结构只是基坑工程中暂时性存在的，但其重要性不言而喻，整个工程的稳定、后续工程的进行乃至基坑施工后的长久使用都与之关系匪浅。所以，随着深基坑工程需求的持续增多、工程经验的不断积累、以及施工技术水平的慢慢提高，对合理选择支护结构方案以及对其进行优化设计上也产生了更高的标准与要求^[3]。

1.2深基坑工程现状

基坑工程的支护体系设计和开挖施工方案选取不但是基础设施建设中经常涉及的课题，而且在岩土的性质选取和计算理论上也是一大难题^[4]，它涉及了以下几种工程问题，如土体的变形问题、结构的强度与稳定性问题、以及基坑附近土体和支护结构在施工过程中协同作用的问题。

1.2.1深基坑工程的特点：

深基坑工程的关键性特点是^[5]：

（1）具有很强的区域性，因地质条件形成环境不同，造成了土体环境、水文条件以及气候气温等因素具有较大差异，故东西部地区基坑工程差异较大；

（2）具有很强的独特性，俗话说一个萝卜一个坑，基坑工程也是如此，由于不同基坑的建设环境往往差异很大，基坑工程的独特性就十分高，相似基坑的案例可以相互参考，但绝不可以照猫画虎；

（3）具有很强的综合性，基坑工程的建设涉及到方方面面的问题，稳定性问题、变形问题、环保问题、安全问题等等，而且涉及到的环境条件也很复杂，所以基坑的建设要综合考虑，多加权衡，才能设计出较为接近优解的方案；

（4）具有较强的时空效应，基坑工程与许多其他基础工程相似，但因为地下施工的条件较地上差许多，工期普遍较长，所以时间上会涉及到许多诸如土体变形以及结构蠕变等问题；

（5）具有强大的环境改造力，因基坑工程是一种规模较大的基础工程，还涉及到了大量的土方开挖，那么就不可避免地会对环境造成影响，且通常对环境的影响作用比较大；

（6）具有巨大的工程建设量，需要较大规模的资金注入，基坑工程多为挖的深、建的大的深基坑，建设难度高，工程施工量大，工期持久，故需要大规模的资金支持；

（7）具有很高的质量要求，基坑工程大部分作为公共基础设施建设，关系着人民群众的出行安全，其对于安全性的要求是极高的；

（8）具有较高的危险事件发生水平，在基坑工程中，因为工程规模大，时空效应强，且又有诸多不可控因素，故经常会出现一些突发问题。

在深基坑支护结构的施工建设中，存在下面几个问题^[6]：

（1）边坡施工质量达不到设计水平和施工规范的要求。

（2）土方开挖进度和支护结构布置进度不配套。

（3）喷射灌注混凝土时，混凝土级配不标准，且灌注量不足，致使该部分的结构强度无法达到设计标准。

（4）进行成孔注浆操作时，分段注浆凝结时间掌握不合理或者注浆量不充分等因素，致使锚固体的力学性质无法达到设计标准。

（5）边坡顶面土体没有按照设计要求处理，达不到设计标准。

（6）忽略了施工过程中现场的跟踪数据监测。

1.2.2国内研究现状：

20世纪80年代左右，自从我国在北京成功建成了20m深的地铁东站深基坑工程后，深基坑工程的修建数量开始上升，最初建设的一批深基坑，支护体系多采用钢板桩支护，强度验算多采用简单的算法理论，如等弯矩梁理论、弾性曲线理论。进入90年代后，经济增长带动了城市建设，在建高楼越来越多。工程建设的增多加速了基坑工程的发展进程，新的支护结构形式不断涌现，经过理论的验证后陆续应用在不同的基坑中，并通过实际工程检验发展为新的学科分支，如深层搅拌桩、地下连续墙等。新式支撑的陆续应用也丰富了支撑形式。基坑工程的土压力求解多采用朗肯、库伦等经典土压力理论，支护体系内力的求解方法相对较多，如简支梁计算法、等弯矩梁计算法等，但由于这些理论均建立在大量假设的基础上，这也使得同实际受力状况相比，计算结果大多有些偏差。随着工程水平的提高，人工计算受到工程规模和计算方法的限制越来越大，有限单元法的出现有效缓解了这一情况，这也得益于计算机计算精度和速度的指数式提高，这使得计算理论进步迅猛。

1999年，陈昌富，王贻荪，尚守平根据王步云等人的实验结果，提出了黄土类边坡土钉墙整体稳定性和杆体抗拉稳定性的研究方法，并导出了与其相对应的计算公式^[7]。

2003年，祝方才，阎颜研究了在不同土层的情况下土钉支护结构的整体稳定性的计算方法，结合Monte-Carlo法，编制了对应的稳定性计算程序，并对比实际工程案例得出结论，对于基坑工程场地内分布有不同特征值的土层的情况，验算支护结构稳定性时，不能忽略土体性质的差异 ^[8]。

2004年，吴健，张庆贺将Poulos理论应用在对基坑工程中地下连续墙的位移分析中，编写了用于分析地下连续墙竖向位移的有限元计算程序。又把Monte-Carlo法和有限元计算程序共同运用于求解控制参数差异时地下连续墙竖向位移的破坏几率，得到了较为符合工程实际的结果^[9]。

2006年，阮文军用阳逻长江公路大桥南锚碇深基坑工程为案例，分析了其围护结构的受力特征，归纳了其围护结构的一般内力变化规律^[10]。同年，赵平，惠波对实际基坑案例的土钉支护结构开展的可靠度计算中，率先采用了模糊可靠度理论，其中部分结果为数值模拟得出的，计算结果符合案例实际数据，发现对采用土钉锚固的支护结构进行稳定性分析时，该理论具有一定指导价值^[11]。

2009年，周玲在论文中指出了内支撑系统独特的优点：一是内支撑系统不占用地下空间，不会对地下空间的后续开发造成影响；二是内支撑结构具有较强的强度和刚度，使得整个支挡体系的强度和刚度也得到一定提升；三是内支撑结构的强度、刚度对基坑的水平位移和沉降起到了良好的控制作用^[12]。2009年底，谭晓慧，毕卫华，王建国等开展采用土钉锚固体的支护体系稳定性计算时，遇到了不同土层土体性质差异的问题，为此提出了相应的电子表格法，分析了最小可靠指标，计算出了对应的临界滑动平面 ^[13]。

2012年，周罕，曹平对软土地区城市内设计深基坑的支护方案时，基于模糊层次分析法进行了分析比选，确定了最优支护方案，为以后实际深基坑工程支护方案的选取丰富了参考案例^[14]。

2013年，李磊，段宝福采用了南昌地铁艾溪湖东站的深基坑工程施工全程的现场监测数据为工程背景，研究了支护体系施工全程中现场监测数据的变化情况，得到了基坑支护体系随开挖过程进行的位移规律，并借助有限元软件对支护体系的受力状况进行了数值模拟，并将模拟结果同现场监测数据进行了对比分析得出了本工程的安全性^[15]。

2014年，李大鹏，唐德高，闫凤国等在考虑土拱效应的情况下计算了其对应的滑裂面位置，探讨了空间效应在深基坑工程中的存在原因，总结出了涉及空间效应情况下的支护体系土正应力计算公式^[16]。

2015年，解磊，董礼采用计算软件FLAC3D对深基坑放坡-桩锚联合支护体系进行了数值模拟，并对比研究了模拟结果和现场监测数据，印证了摩尔库伦模型对土体力学特征模拟的有效性^[17]。

2016年，王亚雯，孙立强，闫澍旺等以天津富力响锣湾的深基坑工程为例，对基坑的开挖过程进行了全程现场监测，并采用有限元计算软件对开挖过程中土体的基底回弹、支护结构的变化状况进行了模拟分析^[18]。

2017年，韩延庆以三江立体城深基坑开挖工程为依托，由于该工程场地处于深厚淤泥地层中，土质较软，开挖过程中土体形变容易失控，故支护结构设计上难度很大，经现场监测和数据分析，选取了符合该工程的支护体系及施工方案，并研究了桩基结构的变形规律^[19]。

2018年，辛强以济南泉西商务中心深基坑工程为工程背景，分析了现场监测所得数据，并应用FLAC3D5.0软件自带的本构模型和节点类型对设计方案进行数值模拟分析，得出了桩锚支护的普适性结论并对比了摩尔库伦、应变硬化/软化两种岩土本构模型的差别 ^[20]。

2019年，马志刚，张帆提出了在复杂土体介质以及不稳定因素的条件下，进行深基坑失稳性分析的经验和方法^[21]。

总体看来，深基坑为辅助性工程，但其设计难度和施工难度却不容小觑，它的支护结构施工过程往往分为临时性结构和永久性结构，所以在支护结构的设计上必须要考虑到施工过程的影响，充分注重其安全性。一旦发生安全性事故，将会造成难以挽回的人员和财产损失，同时，造成停工整改、环境污染等不良影响^[22]。

1.2.3国外研究现状：

早在20世纪30年代Terzaghi、Peck等人通过分析基坑工程的施工问题，建立了总应力法，用于分析基坑工程开挖时的结构稳定性和计算支撑承载。

20世纪50年代Bjerrum、Eide等人推导了基坑底部凸起量的计算方法^[23]，并于60年代监测了奥斯陆等地软土深基坑工程现场的基底土压力，后来又综合了许多实际工程资料完成了改进，使得该方法的预测准确性得到了进一步增强。

60年代末Clough、Duncan等人经过大胆假设、算法分析和实例对比，在基坑工程领域中首次提出了有限元方法的应用^[24]。在深基坑围护结构施设计、施工设计及稳定性分析中，有限单元法的应用越来越普遍，1970年Duncan、Chang最先在边坡开挖过程中运用了有限单元法进行模拟，并对比了模拟结果与现场监测数据，得出了有限元法在边坡开挖的模拟上具有一定的现实意义的结论^[25]。1981年，Clough以工程实例为背景，在考虑土体各向异性的情况下，基于有限单元法研究了土体、墙体的变形规律，研究指出，若加入土体各向异性的因素，求解得出的地表土体下沉量和墙体结构变形值会大幅提高。Lee F.H.和Yang K.H.等基于Biot固结理论用有限元技术对基坑的开挖施工全程进行了数值模拟，模拟结果显示在水平支撑的作用下，土体内部出现了负孔隙压力，土体固结状态处在不排水与完全排水范围内，所以认为实际位移的边界介于两者之间 ^[26]。

基坑工程作为大型地下工程，其施工前后以至整个施工过程对周围建筑的影响是不可避免的，如何在基坑工程中做到对周围建筑的影响最小化和安全性的实时监控是一大难题，Jia Xu， Yongzhan Chen， Tong Guo和Zhiqiang Di四位学者于2014年在“深基坑施工中的建筑物易位保护”文中指出，实时的变形监测是整个工程中保障周边建筑安全性的重要举措^[27]。同时，现场监测和数据的实时分析还可以达到优化工程结构的目的^[28]。

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