蘭州某地鐵站出口深基坑開挖支護三維數值模擬分析

周利勇

（蘭州市政建設集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

為緩解交通壓力，越來越多的城市在進行地鐵建設。同時，地鐵相關的深基坑工程是一個復雜的綜合性巖土工程[1]，借助于數值模擬和實際相結合的方法，可以對深基坑工程整體結構進行比較系統地分析[2]。本文以蘭州市某地鐵出站口為研究對象，利用有限元軟件 MidasGTSNX建立三維模型，研究該基坑在開挖過程中，樁體變形、鋼支撐內力變化、土體的沉降規律及鋼支撐的作用位置對基坑穩定性的影響。

1 工程概況

1.1 車站概況

該出站口位于1號線某車站主體結構西北角，地處蘭州某十字路口，四周多高層或多層建筑。場地地勢開闊，地形平坦。基坑長68m，寬7.2m，標準段坑底埋深越11m（見圖1）。

圖1 出站口深基坑現場照片

1.2 工程地質概況

該基坑場地為黃河Ⅰ級階地。擬建場地影響厚度內土質依次為以路基為主的人工填土、黃土狀土、卵石土、強風化砂巖。地下水位埋深4.1～5.1m，且地下水位年內變幅在1.0～1.5m。根據地質勘察報告，各主要土層分布及物理力學指標見表1。

表1 場地主要地層的力學指標

1.3 支護方案概況

根據附屬結構形式，場地地質及周圍環境特征，該基坑采用灌注樁+鋼管內支撐體系，維護結構采用800@1600的鉆孔灌注樁。沿基坑豎向布2道的609mm（t=16mm）鋼管內支撐，鋼支撐分別設置在2.5m，7.5m處，水平向間距3.5m。施加預加軸力分別為300kN、350kN。灌注樁間擋土采用掛網噴射混凝土。樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，截面b×h=0.8m×0.8m，鋼圍檀均采用2根45b工字鋼組合型鋼。圍護結構模型見圖2。

圖2 基坑支護平面圖

2 開挖過程數值模擬

為研究該基坑的變形特性，本文選用Midas GTSNX有限元軟件進行建模，分析基坑開挖全過程。因開挖前已完成降水，地下水水位維持在基坑底板1.0m以下，因此在模擬中不再考慮地下水的影響。

2.1 模型簡介及計算參數

（1）模型簡介

本模型為整體三維模型，依據圣維南原理，開挖區域一般選開挖尺寸的3～5倍比較合理，故模型尺寸取169m×114m×37.8m。整個模型劃分為148258個單元網格，26737個節點；模型中涉及到實體單元（土層）。

梁單元（混凝土排樁、混凝土冠梁、鋼腰梁），桁架單元（鋼支撐）。土體選用Mohr-Coulund本構模型。考慮到基坑周圍可能發生的車輛動載及其施工堆載等因素，基坑周圍均布置超載15kPa。計算模型和網格劃分見圖3。

圖3 基坑計算模型樣圖及網格劃分示意圖

（2）土體及結構的參數設置

a.土體依照表1進行分層及材料屬性設置；

b.梁單元及桁架單元的材料屬按表2設置。

2.2 主要施工步驟

該深基坑采用明挖順做法分層開挖，按照施工工序，可分為4個施工步驟：

（1）成孔并完成鉆孔灌注樁的作業；

（2）開挖至3.5m，在2.5m處加第一道鋼支撐，施加預應力300kN；

（3）開挖至8.5m，在7.5m處加第二道鋼支撐，施加預應力350kN；

（4）開挖至基坑底部，深度11m。

3 模擬結果分析

3.1 坑周地表沉降分析

隨著基坑開挖，基坑周邊的土體發生了豎向沉降，用模擬所得數據繪制出各工況坑邊土體豎向沉降曲線圖，見圖4。

圖4 坑周地表沉降圖

從圖4中可以看出，加鋼支撐之前，距坑越近沉降量越大；加支撐之后，沉降曲線呈勺形，沉降量最大位置距坑有一定距離；隨著基坑開挖，坑周地表整體沉降量及最大沉降量都逐漸增大，且基坑開挖的影響范圍也越來越遠，最大沉降發生在距坑邊16m處，其值為8.6mm。

表2 一維單元計算參數設置

3.2 樁體水平位移分析

隨著基坑開挖，樁體發生了水平方向位移，用模擬所得數據繪制出各工況下樁體水平位移曲線圖，見圖5。

圖5 樁體水平位移圖

加第一道鋼支撐后，樁頂處發生最大水平位移，其值為0.7mm；加第二道支撐后，最大水平位移發生在距坑頂約5m處，其值為2.8mm；開挖至坑底時，最大水平位移位置移至約距樁頂5m處，其值為6.6mm。同時，從圖5可以看出：隨著基坑的開挖，樁身水平位移整體增大，且在鋼支撐作用處，樁體水平位移量突然減小。

3.3 支撐軸力分析

通過模擬計算，隨著基坑開挖，由于樁后主動土壓力增大，致使樁體發生向基坑側的水平位移，由于鋼支撐的作用，使得樁體整體的位移量減小，同時，作用在鋼支撐上的軸力增大，其值隨開挖深度歷時曲線見圖6。最大軸力發生在開挖至坑底時候的第二道鋼支撐上，其值為382kN。

3.4 鋼支撐位置對圍護結構的影響

鋼支撐的作用位置是控制基坑圍護結構內力及變形和坑周土體的變形主要因素，合理的支撐作用位置會使整個支檔結構受力合理且經濟。

為驗證該基坑原支護方案中鋼支撐的作用位置是否合理，本文另外模擬驗算了兩種鋼支撐作用位置不同的方案。方案1：其他條件不變，支撐作用位置均向下移動1m；方案2：其他條件不變，支撐作用位置均向上移動1m。提取模擬結果中三種方案的樁體水平位移量和支撐軸力值，分別繪制樁體水平位移曲線圖（挖至坑底時）及曲線支撐軸力圖，見圖7～圖9。

圖6 鋼支撐軸力變化圖

圖7 三種支護方案樁體水平位移對比圖

圖8 三種方案第一道鋼支撐軸力變化圖

圖9 三種方案第二道鋼支撐軸力變化圖

方案一中樁體最大水平位移發生在約5.5m處，其值為7.8mm，方案二中樁體最大水平位移發生在距樁頂約4.5m處，其值為8.1mm，而原方案樁體最大水平位移為5.5mm；三個方案第一道鋼支撐最大軸力分別為：方案一：367kN，方案二：323kN，原方案：323kN；三個方案第二道鋼支撐最大軸力分別為：方案一：362kN，方案二：421kN，原方案：382kN。

采用數值模擬的方法分析，從控制支護結構變形和支撐受力合理的角度來講，原方案中鋼支撐的支護位置是安全、經濟的。

4 結論

（1）建立了該地鐵出站口基坑的三維有限元模型，計算結果表明該深基坑采用鉆孔灌注樁＋鋼支撐的設計方案是合理經濟的。

（2）坑周地表沉降量、樁體水平位移及鋼支撐軸力均隨基坑開挖而增大，基坑開挖至坑底時，均達到最大值分別為8.6mm、6.6mm、382kN。

（3）鋼支撐的作用位置對樁體水平方向變形及支撐軸力有較大影響，具體作用位置需根據具體工程中土層參數及其排樁參數確定。對本文中的基坑而言，原設計方案是安全經濟的。

參考文獻：

[1]董旭光,李忠.蘭州市某地鐵車站深基坑開挖支護三維有限元分析[J].甘肅科學學報,2014(2):58-62.

[2]劉紅巖,秦四清,李厚恩,等.深基坑工程開挖安全性的數值分析[J].巖土工程學報,2006(S1):1441-1444.

[3]姜忻良,宗金輝,孫良濤.天津某深基坑工程施工監測及數值模擬分析[J].土木工程學報,2007(2):79-84,103.

[4]李四維,高華東,楊鐵燈.深基坑開挖現場監測與數值模擬分析[J].巖土工程學報,2011(S1):291-298.

[5]吳意謙,朱彥鵬.蘭州市濕陷性黃土地區地鐵車站深基坑變形規律監測與數值模擬研究[J].巖土工程學報,2014(S2):404-411.

[6]董林偉.數值模擬中常用巖土本構模型及其參數研究[D].山東青島:青島理工大學,2011.

[7]李磊,段寶福.地鐵車站深基坑工程的監控量測與數值模擬[J].巖石力學與工程學報,2013(S1):2684-2691.