地鐵車站基坑圍護結構變形過大的實測與計算

徐長勝

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019）

隨著城市化建設進程的不斷加快，地鐵工程建設規模逐漸擴大，而在地鐵車站基坑結構施工中，施工區域地質條件比較復雜，并且周邊建筑工程比較多，須結合實際情況選擇適宜的圍護結構，低于基坑外側土體壓力。對圍護結構變形進行有效控制，應對施工現場實際情況進行分析，同時應用有限元分析軟件對不同工況進行模擬分析，并采用參數反演計算方式，確定圍護結構變形因素，為制定控制策略提供可靠依據，妥善解決圍護結構變形問題。

1 地鐵車站深基坑變形機理

1.1 基坑底部土體回彈

在基坑施工中，基坑底部土體隆起的原因主要包括以下2點：第一，在基坑開挖施工中，底部結構土體發生豎向卸載，進而造成土體結構原有應力狀態發生變化，土體結構不斷向上移動。第二，在基坑內土體開挖施工中，基坑內外部可形成壓力差，在圍護結構外側，土體結構在自身重量的影響下逐漸移動至基坑內，進而造成土體結構向上移動。

1.2 圍護結構側移

在基坑開挖施工中，圍護結構內部土體壓力逐漸卸去，此時即可逐漸形成高度差以及土壓力差，圍護結構上部外側可受到主動土壓力的影響，在壓力差作用下，土體壓力平衡受到破壞，進而造成圍護結構發生變形或者位移。在基坑開挖施工中，如果應用內支撐系統施工方案，則首先完成基坑施工，然后再進行內支撐施工，在支撐結構施工前，圍護結構即可發生變形，與此同時，在土壓力以及支撐預應力的影響下，圍護結構可發生少量變形[1]。

1.3 基坑外圍地表沉降

在地鐵車站深基坑開挖施工中，圍護結構周邊土體會逐漸形成塑性區，并且流動比較大，另外，深基坑內外土體結構之間可形成壓力差，因此，圍護結構外側的土體會逐漸流動至基坑內以及基坑底部，同時，由于基坑外土體不斷減少，因此會發生地表沉降。在深基坑開挖施工前，進行圍護結構施工時，由于地層會發生位移，因此也會造成地表沉降[2]。

2 工程概況

該文選擇某地鐵車站作為研究對象，該車站位于市政道路工程交叉口位置，車站基坑周邊為商業建筑以及配套項目通過對該車站結構設計方案進行分析，為地下2層島式站臺車站，全長為220m。根據現場勘查，施工區域覆土厚度為3.6m左右，為丘陵臺地地貌，地形平臺，標高為43.50m~44.20m。該地鐵車站施工區域西側地勢平坦，而南側則為剝蝕殘丘。在該地鐵車站基坑施工中，選用明挖順作法，基坑開挖深度在16.98m~18.93m，在圍護結構施工中，聯合應用800mm厚連續墻以及3道內支撐。在連續墻施工中，嵌固深度為8.0m，根據現場勘查，基坑底部土體包括可塑狀砂質黏性土、硬塑狀殘積砂質黏性土以及礫質黏性土。在該地鐵車站基坑開挖施工中，隨著開挖施工的不斷進行，當開挖至基坑底部時，對連續墻測斜以及地面沉降進行測量和數值分析，均處于正常范圍內，沒有超過警戒值。

隨著基坑開挖施工的不斷進行，在開挖達到9軸時，開挖深度為9.5m，通過對墻體測斜進行分析，已達到報警值，當開挖深度達到11.5m時，位移量達到42.3mm。在基坑圍護結構施工中，在第2道鋼支撐安裝施工完成后，再進行第4層土方開挖，與此同時，基坑圍護結構變形量不斷增加，根據現場測量，水平位移量達到50mm。為保證現場施工安全性，在基坑結構墊層頂面以上1.7m位置進行第3道鋼支撐施工，墻體結構穩定性顯著提升，在開挖深度15.5m位置，墻體位移量達52.9mm。在該地鐵車站基坑結構后續開挖施工中，嚴格依據工程設計要求對施工現場進行嚴格控制，而墻體測斜變形量依然比較大，甚至達到48mm。

3 數值模擬方法介紹

3.1 計算參數

在選擇初始計算參數時，須參考施工場地地質勘查報告。根據現場勘查，施工區域各個巖土層以及材料參數見表1。

表1 巖土物理力學參數值

3.2 計算模型

在計算模型創建中，假設方案如下：1）計算模型沿地鐵車站縱向，選擇1m，在具體的計算分析中，可將車站作為彈性地基結構以上的平面框架結構。2）在該工程基坑開挖施工中，采用明挖順做施工方案，無須考慮基坑圍護結構和主體結構之間的共同作用。如果應用蓋挖逆作施工方案，則應重點考慮基坑圍護結構和主體結構之間的共同作用，在二者之間，可采用連桿連接，連桿結構只需承受壓力作用，當連桿處于受拉狀態時，即可自動失效。3）對于地層反力，可采用地層彈簧模擬法，彈簧剛度為基床系數和分段長度之間的乘積。對于地層彈簧，可設置為僅受力，而如果處于受拉狀態，則為失效。4）側向土壓力的計算，可應用肯朗、庫倫計算公式，分開計算土壓力與水壓力，還需考慮地面承重或坑角等不規則形狀對土壓力的影響。在該工程施工中，應用明挖順作法，可利用主動土壓力，而如果采用蓋挖逆作施工方案，可應用剛度較大的頂板以及樓板替代臨時支撐結構，因此，在基坑開挖施工中，墻體水平位移比較小，對于墻背土壓力，可作為靜止土壓力。

在該工程計算分析中，計算模型創建形式以及荷載分布情況如圖1所示。在該計算分析中，選用有限元分析軟件MIDAS-CIVIL[3]。

圖1 車站圍護模型及荷載

在計算模型模擬分析過程中，應注意以下幾點：1）在墻背全高范圍以及基坑開挖側底部，均須安裝土彈簧，并應用節點彈性支承結構。2）在臨時鋼支撐施工中，要求應用等效剛度，對于相應節點位置，須通過節點彈性支承。3）在施工過程中，應分隔開挖步以及施工步。在開挖步施工中，模型結構單元保持不變，在開挖深度范圍內，要求在地連墻內側應用壓彈簧，同時還應施加開挖施工中所產生的側向水土壓力。模擬步驟如圖2。

圖2 主要模擬步驟

3.3 根據實測數據反演計算參數

在巖土工程施工中，在對施工區域進行地質勘查后，勘查報告中一般均會有基床系數Kh以及Kv，為了保證計算結果的準確性，在基坑開挖施工中，可根據開挖施工階段監測數據進行調整。

通過對施工現場實際情況進行分析，在地鐵車站基坑施工中，1~8軸開挖基本正常，并且施工階段天氣良好，嚴格依據設計方案組織施工。通過對施工現場實測數據以及地質勘查報告進行分析，對各層土基床系數進行多次試算，結果如表2所示。

表2 巖土物理力學參數反演值

在施工現場測量中，最大位移量為24mm，而在計算分析中，最大位移為22.5mm，差異比較小。由此可見，基床系數取值與實際數值比較接近，計算結果可靠性比較強。正常工況下支撐軸力變化情況如表3所示，通過對表3進行分析，對連續墻最大彎矩標準值進行計算，結果為481kN·m，同時，各道支撐的軸力變化均勻性比較強，鋼支撐結構之間的距離為3m，最大軸力標準值計算結果為677×3=2031kN。

表3 正常工況下支撐軸力變化情況

4 圍護結構變形過大工況計算

通過對施工現場實際情況進行分析，在基坑開挖施工達到9軸時發生暴雨，施工單位為加快施工進度，沒有及時架設第2道支撐，進而造成圍護結構位移量增加至52.9mm。另外，通過對施工現場進行質量檢查，首道混凝土支撐結構已出現裂縫。對此，須重新進行建模和模擬計算[4]，如表4所示。

表4 計算工況

綜合考慮軟化因素，土體參數發生較大變化，因此須進行標貫試驗，據此確定，地基土彈簧剛度，如圖3所示。

圖3 基坑軟化后地基參數

在針對該工程進行建模分析時，對于基坑圍護結構內外側，均設置壓彈簧，據此對基坑開挖施工中側向土壓力變化情況進行模擬，在基坑開挖施工、支撐結構假設以及基坑土體軟化因素的影響下，圍護結構側向支撐剛度發生變化，因此，圍護結構側向土壓力也會發生較大變化。

報警工況支撐軸力變化情況如表5所示，通過對表5進行分析，在建模計算中，最大位移量為47.8mm，而連續墻最大彎矩標準值為1012kN·m。另外，各道支撐的軸力差異比較大，在第1道混凝土支撐結構施工中，支撐結構間距為9m，軸力增加至4860kN，而在第2道鋼支撐施工中，基坑土體軟化，因此，第1道混凝土支撐軸力有所減少。在第2、3道鋼支撐施工中，鋼支撐結構之間的距離為3m，最大軸力標準值的計算結果為1181×3=3543kN。

表5 報警工況支撐軸力變化情況

5 結果分析

5.1 數值模擬分析結果

根據建模分析，最大水平位移量為48mm。與施工現場測量值之間的差異比較小。另外，連續墻最大彎矩標準值、鋼支撐的最大軸力標準值均逐漸增加。

5.2 常規方法驗算的不足

在該工程施工中，基坑底部土體軟化，并且支撐結構剛度顯著降低，如果采用常規計算方式往往很難模擬分析，很難對特殊工況下的支護結構位移量和內力進行準確計算。

6 總結

綜上所述，該文主要結合實例，對地鐵車站基坑圍護結構變形過大的情況進行實測和計算分析。在該工程支護結構施工中，結合明挖技術、地下連續墻技術以及內支撐支護形式，對數值進行反演計算，同時根據施工現場實際情況，綜合考慮不同施工階段支撐架設因素以及坑底地質環境因素，并與實際測量結果進行對比分析，進而準確反應圍護結構內力變形實際情況，通過計算分析，即可確定圍護結構變形過大的原因，并進行施工模擬和安全性評價，進而為其他項目提供可靠依據。