隧道地鐵開挖過程中的數值模擬與施工技術*

黃永堅 沈 鋒 范廣震

（1.大連泛華工程建設監理有限公司 大連 116000）

（2.大連交通大學土木工程學院 大連 116028）

1 引言

研究基坑開挖過程，重點在于如何準確并有效地預測基坑的變形［1～2］。一方面，基坑支護方案的選取對于基坑的變形和其對周圍環境的影響至關重要［3～4］；另一方面，基于地質條件的復雜性和工程的突發性，使得能夠較準確可靠預測基坑的變形難度加大［4～5］?；庸こ探⒃趲r土工程基礎上，具有理論滯后于實踐的缺陷，且基坑工程具有一定的地域特性。相對于上海軟土地區較成熟的基坑變形性狀的理論分析，其他地區在基坑開挖和降水方面的理論研究尚成統一體系，因此也一定程度上限制了該地區基坑工程的發展、進步［6］。

李志通等在研究超大超深基坑施工時充分考慮時空效應的影響，針對坑壁中間部分做了強化［7］。劉菊通過采用新方法角度方式推論出基坑的最佳支護體系［8］。吳鋒波等采取統計手段，對大量基坑實測數據分析后，發現基坑周圍地表最大變形呈現正態分布形式［9］。唐紅等則巧妙地使用建模（BIM）技術對基坑工程建立三維模型進行研究［10］。袁釬等對釘墻的專項研究其適用的土層類型［11］。許亞軍采取基坑設計與實測數據對比方式，通過設計不同工況得出基坑變形理論計算值與實測值的對應關系［12］。秦鵬飛闡述了基坑支護工程最新新技術［13］。李少和等基于實測結果進行分析，揭示了MW 工法樁和鉆孔灌注樁支護形式的特點［14］。殷玲通過系統性研究，基于圓弧滑動法基礎上，提出了分析支撐結構邊坡穩定性方法［15］。

因此，本文根據實際施工工況通過數值建模對比方式，研究相同支護體系下采取不同開挖方式對基坑穩定性的影響。通過各開挖方案的綜合對比分析，為實際工程方案的優化提供參考和依據。

2 工程概況

1 號線某車站起點里程DK7+978.234，終點里程DK8+370.406，其中有效站臺中心里程DK8+163.706。車站結構長392.172m，設計為島式站臺、分為地下二層，主體采用明挖法施工，標準段開挖深度約16.9m、寬23.9m；標準段基坑開挖深度約24m，寬度約23.1m，主體圍護采用1000mm 地下連續墻+內支撐的支護體系。其工程地質條件如表1所示。

表1 工程地質條件

3 開挖方案

車站換乘段從平面上可劃分為三部分區域，如圖1 所示。上層即地面至第一道混凝土支撐部分采取全斷面開挖，一次開挖完成；而下層土方開挖在一道支撐達到條件后進行?；娱_挖過程，關鍵點的布置如圖2所示。

圖1 開挖區域分布圖

下層土體即第一道支撐以下采取斜面分層分段開挖，開挖順序有如下幾種方式：

開挖方案一：區域1→區域2→區域3，為斜面分層分段開挖；

開挖方案二：區域1、區域3→區域2，區域1、3同時向區域2，為分層分段開挖；

開挖方案三：區域2→區域1、區域3，區域2 同時向區域1、3，為分層分段開挖；

開挖方案四：區域3→區域2→區域1，為斜面分層分段開挖；

開挖方案五：區域1、區域2和區域3，為分層不分段開挖。

圖2 關鍵點布置圖

4 基坑施工過程數值模擬模型

根據研究和經驗表明，基坑開挖影響范圍主要與開挖的平面形狀、深度和地質等主要因素有關［7～8］。因而數值計算的精度會受到基坑邊界范圍的影響［9～10］。通過試算確定基坑施工主要影響區域為：基坑圍護結構以外部分取基坑開挖深度3 倍計算，即基坑邊緣外兩側方向58m范圍；基坑底部以下部分取基坑深度的3 倍計算，結合巖層實際狀況深度y 方向取基底下80m 計算，計算模型尺寸三維尺寸為240m×100m×240m。如圖3所示。

圖3 計算模型

計算模型x、z 軸為水平方向，y 軸為豎向方向，且設定y 軸向下取值為正；其中外邊界x=0m、x=240m，z=0m、z=240m 均采用側面約束，模型底部y=100m 水平邊界采用固定約束，y=0m 水平面為自由約束。土體采用12節點4面體單元進行模擬。

5 結果的對比

分別對各個施工方案的數值模擬結果進行分析總結，主要對五個施工方案進行對比，得到最優的施工方案。

5.1 地連墻的豎向移動

在施工的過程中，地連墻豎向移動均為下沉，下沉量有所不同，如表2 所示為施工完成后各個施工方案的地連墻豎向位移值。對比各施工方案地連墻豎向位移值，方案一、二、三的位移值相對方案四、五得要小，其中最大位移值比最小位移值大6.72%。

表2 地連墻豎向位移最大值

5.2 基坑底部隆起

各施工方案分析結果表明，基坑底部土體均出現隆起變形現象，且最大變形出現在中間位置，呈離基坑邊緣越近變形值越小趨勢。表3 為基坑開挖后基底和基坑周圍地表土體變形值。

表3 基底及基坑周圍地表土體變形最大值

基坑開挖后，其中方案三、四的基底隆起最大值均小于方案一、二、五，方案中隆起值最大值比最小大27.6%，差距較大。

5.3 水平支撐軸力

表4 給出了各工況下各施工方案橫稱軸力的最大值，對比表中各工況下各方案軸力最大值，得出方案三各工況下橫稱軸力均最小，而開挖完成后軸力最大的方案一比最小方案三大8.43%。

表4 各施工方案各工況下橫稱軸力最大值（KN）

6 結語

針對地連墻變形、基底土體隆起變形、地表沉降、橫稱軸力變化方面，采取的施工方案不同其結果表現也不同，綜合比較下，可以得出方案一和方案三相較其它幾種方案更為合理，主要是由于按照方案一和方案三的開挖順序避開了可能產生的陽角效應的地方，使得地表土體側移量較小。