地鐵車站明挖深基坑支護結構穩定性分析

張濤

摘 要：以西安某地鐵站明挖深基坑支護結構為背景，基于有限元分析對明挖深基坑支護結構進行穩定性分析。結果表明，深基坑開挖引起的地表豎向變形為 -11.8～-10.2mm，混凝土灌注樁頂側向最大變形 10.9mm，符合西安地區濕陷性黃土地鐵車站深基坑開挖引起的地表及基坑支護結構變形特性;在基坑開挖階段，除第 3 道直撐外，內支撐軸力遠小于設計值，存在較大的優化空間;內支撐結構安全可行，可為類似基坑的施工借鑒。

關鍵詞：地鐵;深基坑;支護結構;穩定性分析

中圖分類號：TU753

地鐵明挖車站深基坑設計與施工開挖中，既要考慮支護結構的穩定性，又要考慮在施工過程中不同階段土體和支護結構的動態相互影響的問題[1]，這就需要對基坑工程施工力學行為進行分析研究。目前，支護結構與土體的相互作用研究處于起步階段，基坑開挖的理論模型計算和支護結構的工作機理還不完善[2]，大多應用半理論半經驗的方法[3]，多采用二維模型模擬[4]，不能全面反應基坑不同部位支撐受力與變形。本文以西安地鐵某車站明挖深基坑工程為依托，建立三維有限元模型對基坑支護結構樁頂水平位移、樁體水平位移、內直撐、斜撐軸力和地表沉降進行分析，以期為后續工程提供依據。

1 工程概況

西安某地鐵車站為11 m島式車站，兩端為擴大端，標準段采用單柱、雙跨的地下二層現澆框架結構，車站基坑長225 m，標準段基坑寬19.7 m，深15.69 m。車站支護結構采用鉆孔灌注樁+鋼管支撐的支護方式，支護結構采用1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁，嵌固深度為基坑底以下6 m。基坑豎向設置3道支撐，采用609 mm的鋼管直撐，鋼管壁厚16 mm，第1道直撐水平間距6 m，第2、第3道直撐水平間距3m，直撐段和斜撐段均采用鋼圍檁（圖1）。

車站所處地層主要由第四系人工填土，場地地層自上而下劃分為素填土、黃土狀土、粉質黏土、中砂、圓礫、粉質黏土、中砂，共8層。

場地地下水位介于-15.58～-18.40 m之間，屬第四系松散層孔隙性潛水，含水層主要為全新統沖積砂土、碎石土，上更新統沖積粉質黏土、砂土地層中無明顯隔水層，勘察深度內無承壓地下水。

2 有限元模型及計算工況

2.1 基本假設

進行建模時，對于支護結構、土層性質等按照以下假設處理：

（1）假定在基坑開挖范圍內土體是均勻、各向同性的彈塑性體，土體的應力應變滿足摩爾庫侖模型[4];鉆孔灌注樁、鋼直撐和鋼圍檁均為理想彈性體;將樁孔灌注樁等效為600 mm厚的理想彈性地下連續墻;

（2）不考慮施工混凝土灌注樁時對土體應力和性狀的影響，將開挖階段的地層位移場清零，保留應力場;

（3）不考慮基坑開挖動態施工過程對土體力學特性的影響;

（4）基坑開挖前降水已達到設計要求，不考慮土體中的滲流作用。

2.2 有限元模型

本文地鐵車站基坑有限元模型基坑寬20 m，深18.2 m，東西擴大端長14.6 m，標準段長225 m。按基坑手冊，基坑影響范圍為挖深的3～4倍[6]，故將模型水平尺寸設為 180 m×180 m，豎向土體取60 m，所選尺寸滿足基坑手冊要求，結合車站所在位置地質縱剖圖，土層厚度自上而下分別取1 m、1.2 m、7 m、4.8 m、1.2 m、5m、10.2 m、29.6 m;土體本構選取摩爾庫侖模型;鋼支撐和鋼圍檁采用一維梁單元模擬，鋼材為Q235B;鉆孔灌注樁等效地下連續墻按板單元模擬，材料為C35混凝土;坑底墊層材料為C20混凝土。模型共包含節點145 532個、單元453 828個，三維應變單元以六面體單位為主（圖2）。

2.3 模擬計算工況

按照“分區，分類，定性，定量”的原則對施工過程進行模擬，模擬計算分析基坑施工過程對土體應力、應變的影響，根據基坑施工方案，基坑開挖模擬計算工況按6個開挖階段分為6個工況。

階段1（工況CS1），初始地應力分析，勾選位移清零，模擬土體固結過程。

階段2（工況CS2），支護樁施工。

階段3（工況CS3），開挖至地表以下2.1 m，并在地表以下 1.4 m 處施工第1道鋼直撐，直撐施加300 kN預應力。

階段4（工況CS4），開挖至地表以下 9.2 m，并在地表以下 8.4 m 處施工第2道鋼直撐，直撐施加500 kN預應力。

階段5（工況CS5），開挖至地表以下14.0 m，并在地表以下13.2m處施工第3道鋼直撐，直撐施加400kN

預應力，斜撐施加450 kN預應力。

階段6（工況CS6），開挖至地表以下18.2 m，并在18.0 m處做200 mm厚的C20混凝土墊層。

3 計算結果分析

3.1 基坑水平位移

圖 3給出了不同工況下基坑水平位移與基坑深度關系曲線，由圖3可見，基坑最大水平位移發生在工況CS6，工況CS6時的基坑水平位移云圖如圖4所示，圖4表明，基坑在南北向中部深度-18.2 m處產生最大水平位移為10.9 mm，基坑在東西向中部-16.7 m處產生最大水平位移為9.3 mm。產生這種現象的原因是，該基坑深度-10～-21.3 m的土層為圓礫層，黏聚力為0，抗剪能力與相鄰的土體相差很大，承受相同剪力時產生側向位移較大。

3.2 基坑豎向位移

（1）基坑開挖過程中的基坑豎向位移曲線如圖5所示，圖5數據表明，基坑坑底最大豎向位移發生在工況CS6，為47 mm（隆起），最小豎向位移為-6.9 mm（沉降），基坑坑邊位移在-10.2～-11.8 mm之間（沉降），可見，隨著基坑開挖深度的增加，坑底豎向位移起伏較大，基坑邊豎向位移變化不大，基坑底部需采取必要的技術措施，防止因坑底局部過大隆起變形給基坑施工帶來危害。

（2）圖6給出了工況CS6時基坑周邊地表豎向位移云圖，由圖6可見，基坑開挖完成后，基坑周邊地表豎向位移（沉降）隨坑壁距離的增加而減小，基坑邊30m外地表沉降變化速率趨近于0。具體表現為，與坑壁距離為0～30 m范圍內基坑周邊地表沉降呈線性變化，由19.4 mm減小到8.2 mm，直至在距離坑壁80 m時為-7.8 mm。基坑周邊地表沉降值滿足警戒值30 mm要求。

3.3 圍護樁水平位移

圖7給出了不同工況下圍護樁水平位移與樁深關系曲線，由圖7可見，圍護樁最大水平位移發生在工況CS6，工況CS6時的圍護樁水平位移云圖如圖8所示，圖7、圖8表明，圍護樁最大水平位移為10.9 mm，發生在樁深18.2 m處，小于預警值24 mm;工況CS5進行到工況CS6時，樁頂水平位移變化為0，基坑周邊土體已基本穩定，這說明基坑鋼支撐起到了積極作用，較大抑制了土體及樁向基坑內的移動，保障了基坑的穩定，也使得土體、圍護結構和內直撐達到受力平衡。

3.4 土體應力

基坑土體的破壞主要是剪切破壞，圖9給出了不同工況下基坑土體剪切應力變化曲線，由圖9可見，基坑土體最大剪切應力發生在工況CS6，工況CS6時的基坑土體剪切應力云圖如圖10所示，圖9、圖10表明，隨著開挖深度的增加，基坑土體最大剪切應力逐漸減小，在工況CS5～工況CS6時增加為896.486kPa，滿足土體最大剪切應力100 MPa要求。

3.5 支撐軸力

3.5.1 直撐和斜撐軸力

圖 11給出了不同工況下直撐軸力變化曲線，由圖11可知：

（1）第1道直撐在開挖工況CS3時架設;基坑開挖到工況CS4時架設第2道直撐，此時第1道直撐的軸力有所下降;自工況CS4至CS6，第1道直撐軸力變化曲線基本保持水平。

（2）在第3道直撐架設后，第2道直撐的變化規律與第1道直撐的變化規律相似，軸力雖有小幅度變化，但整體趨于穩定。

（3）進行到工況CS6時由于基坑-10～-21.3m處土層為圓礫，其黏聚力為0，抗剪能力差，水平變形較大，這使得第3道直撐軸力由400 kN增加到1885.3kN，增加了1485.3kN，其余2道直撐軸力變化不大，說明在工況CS6時，第3道直撐對限制基坑產生較大的水平位移發揮了重要的作用。

不同工況下斜撐軸力變化與直撐類似，這里不予贅述。

3.5.2 支撐軸力計算值與設計值比較

表1為基坑開挖工況CS6時各道支撐計算最大值與設計值的統計表，由表1可知：

（1）3道直撐中，第2道直撐的計算軸力與設計軸力百分比較高，第3道支撐計算值超過設計軸力。說明在基坑開挖過程中，第2道、第3道支撐抑制了支撐結構發生過大的位移，充分發揮了直撐作用。

（2）第3道直撐軸力與超出設計值27.3%需引起注意，應采取相關技術措施，可通過增加直撐密度防止在基坑施工過程中出現安全質量事故。

（3）斜撐軸力計算值與設計值的對比表明，斜撐軸力均未超過設計值。

4 結論與建議

（1）計算分析表明，西安地鐵某車站基坑施工引起的地表豎向沉降為-11.8～-10.2 mm，圍護樁頂最大水平位移10.9 mm，符合西安地區地鐵車站深基坑施工引起的地表沉降及基坑支護結構變形要求。

（2）工況CS5～CS6時第3道直撐軸力增加了1485.3kN，因此應著重優化第3道直撐，提高其設計強度或增加直撐密度，預防基坑施工過程直撐產生較大變形，導致安全事故。

（3）支撐架設完成后開挖下層土時，直撐軸力大幅度增加，在施工過程中應加強直撐軸力監測，保證基坑的安全。

（4）在基坑開挖階段，除第3道直撐外，支撐軸力遠小于設計值，存在較大的優化空間。在設計階段可通過優化支撐結構的布置方式、布設密度，或者減小支護結構的截面尺寸，降低工程造價成本。

參考文獻

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收稿日期 2020-05-18

責任編輯 朱開明