基于HSS模型的地鐵車站深基坑變形特性分析

王愛軍　胡建林　陳海銀　居尚威

摘 要

本文以南通地鐵1號線宏興站深基坑工程為研究背景，基于Plaxis2D 采用小應變土體硬化（HSS）模型對車站基坑開挖過程進行數值模擬，結合車站基坑實測數據，將計算結果與實測數據進行對比分析，驗證了HSS模型在南通地區的適用性。對南通地區后續地鐵車站深基坑設計、施工有一定的借鑒意義。

關鍵詞

地鐵車站;基坑變形;Plaxis2D;HSS模型

中圖分類號： U231.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.063

0 引言

地鐵車站深基坑開挖引起周邊地表沉降變形問題越來越受到人們的重視。為了保證基坑支護結構的可靠性和周邊環境安全，需要預測分析深基坑變形規律，以便更好地控制基坑開挖對周邊環境影響。通過基坑監測數據與數值計算相結合的分析方法已成為目前基坑開挖變形分析的常用方法。而數值分析方法的關鍵在于選取合適的土體本構模型和計算參數。大量的工程實踐表明[1-3]，在基坑開挖施工過程中，除了少部分土層會發生塑性變形外，絕大部分區域處于小應變應力狀態，土體應變在0.01%～0.1%之間。研究表明，在小應變應力狀態下，土體會表現出高剛度，明顯的非線性，各向異性，屈服連續性和結構性等變形特點。土體硬化小應變模型條件下模擬的地層沉降情況更符合工程實際情況。各地對HSS模型應用于基坑變形和基坑施工對周邊環境管線影響分析的適用性進行了有益探索[4-7]。對于南通地鐵車站基坑的變形規律，尚缺乏認識。

本文在南通地鐵宏興路站地層相關參數基礎上，依據經驗參數和PLAXIS參考手冊參數確定小應變參數，再結合車站基坑開挖實際工況，利用有限元軟件Plaxis，模擬基坑開挖過程，并與實測數據對比，驗證模型適用性。為后續地鐵車站設計、施工提供依據。

1 工程概況

1.1 基坑概況

表1 基坑施工工況

宏興路站為11m島式站臺地下二層車站，車站凈長202m，凈寬19.7m。標準段基坑開挖深度為16.7m，端頭井基坑開挖深度為18.5m。車站標準段地下墻深30.3m，插入比約0.80;端頭井地下墻深34.7m，插入比約0.85;標準段設置四道支撐，端頭井段設置四道支撐+一道換撐;其中第一道為混凝土支撐，其余均為鋼支撐。地鐵車站基坑工程的施工工況如表1所示。

1.2 工程地質

本車站基坑坑底位于3-2層粉砂中，開挖深度內以粉土、粉砂為主，依次為1層填土、2層粉砂夾砂質黏土、3-1層粉砂夾砂質黏土、3-2層粉砂;開挖面以下依次為4-1淤泥質粉質黏土，4-1t粉砂夾黏質粉土、4-2層粉質黏土夾砂質粉土、5-1粉砂夾黏質粉土、6層粉質黏土。標準段及端頭井地下墻墻趾均插入4-1層淤泥質粉質黏土，詳見圖1。土體物理特性參數，詳見表2。

2 基坑開挖數值模擬

2.1 本構模型

采用大型巖土工程有限元軟件PLAXIS 2D對本項目進行計算分析，由于本研究區域土層缺乏土體小應變試驗參數，計算模型中小應變參數依據經驗參數和PLAXIS參考手冊參數采用下表數值進行計算，詳見表3。本文選取車站一個標準斷面建立平面應變模型來計算分析整個基坑開挖過程，計算模型詳見圖2。

2.2 計算結果分析

從圖3、圖4中地下連續墻的側向變形和地表沉降情況來看，變形趨勢與理論結果及工程實際經驗基本吻合，說明本文中數值計算部分的模型的建立及參數的選取基本正確。

3 模擬結果與監測數據對比分析

3.1 地下連續墻側向變形對比分析

圖5、圖6和圖7分別給出了工況3開挖過程中墻體變形的計算值和實測值對比。通過實測值與計算值對比可知，墻體水平位移的計算值和實測值的分布規律基本一致，墻體變形形態均為向坑內的鼓肚形。

隨著基坑的向下開挖，墻體的變形逐漸增大，最大變形位置逐漸下移，基本處于每層開挖面以下附近。開挖到坑底，墻體最大變形的有限元計算值為42.4mm，約為0.25%H，實測值為 27.1mm，約為0.16%H，H 為基坑開挖深度。計算值稍大于實測值，兩者相差為0.09% 。分析表明，有限元計算與實測墻體變形規律相同，吻合得較好。

3.2 地表沉降對比分析

本文在建模過程中考慮墻后土體，通過計算給出了墻后地表的變形值，并與實測值進行比較，如圖8所示。由此可知，墻后地表沉降的計算值和實測值的分布規律基本一致，沉降形態為勺形。隨著基坑土體的開挖，地表沉降逐漸增大。開挖到坑底，地表最大沉降的計算值為27.2mm，約為0.16%H，H為基坑開挖深度，位置距墻邊15.8m，0.95H;實測值為17.5mm，約為 0.1%H，位置距墻邊9.46m，0.57H。計算值和實測值基本一致。

4 結論

通過對南通地鐵1號線集成村站深基坑的數值模擬，對深基坑開挖變形特性進行對比分析，得出以下結論：

采用HSS本構模型對基坑工程進行了數值分析，并將計算的成果和監測數據進行了對比，兩者較為接近，進一步驗證了HSS本構模型在南通地區的適用性。

在基坑開挖過程中，地下連續墻的水平位移曲線呈現凸向坑內的鼓肚形;隨著基坑開挖變形逐漸增大，最大位移發生在開挖面附近，最大位移值0.16%H。

墻后地表沉降呈現為凹勺形，沉降值隨著開挖深度逐漸增大，最大沉降位置距坑邊0.57H倍開挖深度左右，最大沉降值0.16%H。

參考文獻

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