季凍區地鐵車站深基坑支護體系合理性分析

王夢潔， 張莎莎， 蔡 倫， 楊曉華

( 長安大學公路學院， 西安 710064)

季節凍土是指在地表以下幾米范圍內冬凍結、夏季消融的土層[1]。中國季節性凍土區面積大約為513.7萬km2，分布面積達國土面積的53.5%，其中北方地區主要集中在黑龍江南部、內蒙古東北部、吉林省西北部[2]。凍土的凍脹特性對基坑支護體系的影響是不容小覷的，土體凍脹往往會引起應力重分布從而對支護結構的強度與穩定性產生不良影響，進而威脅到地鐵施工安全，因此，對季節性凍土地區越冬深基坑支護體系的受力與變形的研究十分必要。

關于凍脹機理，以往學者的研究主要集中于水分遷移和成冰作用兩個方面。Feng等[3]指出凍脹是由于水向凍結鋒面的遷移和冰透體的發育造成的。當土體內溫度處于零下時，土中部分孔隙水結冰并改變土中原有的熱力平衡[4]，隨后形成新的溫度梯度，導致水分的遷移、成冰，同時，凍結鋒面周圍土體中的應力場也隨之改變。隨著水分聚集成冰的進一步發展，形成冰透鏡體，凍結鋒面也向暖端移動，土體體積隨之膨脹。土體凍脹可以分為原位凍脹和分凝凍脹，在有外界水源供給時，分凝凍脹是主要的凍脹方式[5-6]。對于越冬的深基坑工程，當水平方向的凍脹變形受到圍護結構的阻礙后，將會在圍護結構側表面產生水平向的約束力，即水平凍脹力[7]。水平凍脹力是引起季節性越冬基坑發生凍脹破壞的主要原因，其大小遠大于庫倫(或朗肯)土壓力[8]。水平凍脹力沿墻背的大小和分布應由現場試驗確定，而在不能進行現場試驗的情況下，可按照《凍土地區建筑地基基礎設計規范》(JGJ 118—2011)[9]選定。

隨著城市軌道交通的發展，季節性凍土地區的地鐵建設規模也逐漸擴大，學者針對這類地區越冬基坑支護體系的研究也逐年增多。張智浩等[5]、張俊等[10]、李闖等[11]、高欣亞等[12]通過現場監測、室外實驗等方法，分析了季凍區基坑周圍土體凍脹與樁錨支護結構體系的內力與位移的相互作用關系，提出凍脹對基坑支護體系強度和穩定性的影響較大；張明聚等[13]、王艷杰等[14]、邵艷紅[15]等分析了越冬基坑水平凍脹力的分布模式及影響因素并模擬出了不同極端負溫、支護剛度、初始含水量等條件下的基坑水平凍脹力的變化規律；王紹君等[16]、劉守花等[17]、沈宇鵬等[18]模擬了不同保溫工況下越冬基坑支護結構受力狀態，結果表明鋪設保溫層對越冬基坑水平凍脹有較好的抑制作用；毛宇飛等[19]、周磊[20]等以深季節凍土區地下連續墻支護體系作為研究對象，分析了土體凍脹對其受力性能的影響。但以往對季節性凍土地區基坑支護結構的研究主要集中在蘭州、哈爾濱、北京等地區，針對呼和浩特地區越冬基坑支護體系受力變形的監測和理論研究幾乎為空白。而各個地區之間土層的穩定、變形及滲流特征差異較大[21]，適用的支護體系也不盡相同，導致研究成果難以推廣。呼和浩特1號線沿線地層以砂土與黏土層為主，同時車站基坑采用地下連續墻和內支撐(鋼筋混凝土支撐或鋼支撐)的支護方案占比超過80%，再加上冬季極端低溫與白晝溫差明顯，因此，呼市地鐵車站深基坑在凍脹條件下支護體系的受力與變形具有一定的特殊性，值得深入研究。

現以呼和浩特地鐵1號線某車站基坑支護工程為例，采用COMSOL Multiphysics有限元軟件開展基坑外側土體水熱力三場耦合模擬，重點研究越冬基坑地下連續墻的變形以及橫撐軸力的變化，并在此基礎上對原基坑支護方案進行優化，以期為今后在寒冷地區修建地鐵深基坑支護工程提供參考。

1 試驗方案設計

1.1 工程背景

1.1.1 氣象條件及工程地質概況

呼和浩特市屬于季節性凍土區，土壤標準凍結深度為160 cm。該地區冬季漫長嚴寒，冬季最低月平均溫度為-12.6 ℃，極端最低氣溫為-30.5 ℃，最大晝夜溫差達20 ℃。四季氣候變化明顯，全年降水量少且主要集中在7—9月份，蒸發強烈。

呼和浩特地鐵1號線軌道正線全長21.9 km，共設20個車站，地下站16座，高架站3座，地面站1座。根據鉆探資料及基坑外側土體物理力學性質將土層劃分為3個大層：①人工堆積層，厚度0.4～3.7 m；②砂土層，厚度0.4～3.9 m；③黏土層，厚度0.4～17.6 m。地下水位埋深4.3～8.6 m，且易受季節性氣候控制，變化幅度在1.5～3 m。

1.1.2 支護結構設計方案

圖1 地鐵車站深基坑現場照片Fig.1 Photo of deep foundation pit of subway station

圖2 車站主體支護結構剖面圖Fig.2 Section of supporting structures of subway station

1.2 現場監測方案

在基坑側壁上布設兩個監測斷面，每個斷面布置4列監測探孔，每列探孔分別距離地下連續墻10、60、110、160cm，對應的深度依次為26、22、17、17 m，在探孔內埋設壓力盒和溫度傳感器，由于凍脹主要發生在基坑臨空面的一定范圍內，因此儀器在土體外側布置得較內側密集，監測頻率根據現場情況確定。本站墻體水平位移的監測采用測斜管和測斜儀，橫撐軸力的監測采用軸力計，監測頻率為1次/3 d，監測時間是2017年11月—2018年4月。

1.3 數值模擬方案

基于水熱力耦合理論，采用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics建立三維數值模型模擬越冬地鐵車站基坑土體的溫度場以及支護體系受力及位移情況。

1.3.1 基本假設

為簡化計算模型，且能反映主要的研究因素，故提出以下幾點假設：①將土體看作均勻連續分布的各向同性線彈性體；②土體內水分僅以液態傳遞；③土體傳熱方式為熱傳導，其他傳熱方式影響忽略不計；④土體應力變化僅由土體冰水相變引起；⑤地下連續墻等圍護結構均為彈性材料。

1.3.2 模型的建立

選取基坑400 m×150 m×50 m的范圍建立三維計算模型，對土層進行簡化，根據現場勘查資料與相關文獻[23-24]得到計算參數如表1所示，并通過Heaviside階躍平滑函數將凍結過程中土體內材料參數的轉變進行過渡處理。

模型中溫度邊界條件的設置考慮項目的實際情況，將呼和浩特地區2017年冬氣溫數據進行擬合作為基坑模型表層的邊界條件，基坑模型外側邊界可以認為是絕熱邊界，對于基坑外部土體要考慮由于地下連續墻導致的熱量損失，模型下側土體溫度設為恒定溫度293.5 K。四周邊界無水分補給，均設為隔水邊界，各個地層根據地勘資料設置初始含水率。

本數值模擬引入基于能量守恒定律與Fourier方程建立的考慮水-冰相變的熱傳導方程、基于質量守恒定律與Darcy定律建立的水分場方程[25]和凍土應力場的基本方程[26]，利用COMSOL Multiphysics軟件中的偏微分方程模塊(partial differential equation module)，將三場的控制方程轉換為弱解型微分方程并進行求解[27]。通過溫度場的分析驗證多場耦合模型的準確性，從而研究越冬地鐵深基坑地下連續墻的水平位移以及內支撐軸力的變化。計算模型網格劃分如圖3所示。

圖3 計算模型的網格劃分Fig.3 Mesh generation of calculation model

2 試驗結果分析

2.1 監測數據分析

2.1.1 溫度場監測數據分析

對兩個斷面的溫度監測數據進行日平均化處理，其中第60、第120天時基坑周圍土體溫度監測結果如圖4所示，從圖4中可以看出，在垂直于地連墻墻壁方向上呈現較明顯的溫度梯度，距離坑壁越遠，土體溫度越高；在靠近地表位置，土體溫度的局部波動性較強，這是由輻射和外界環境溫度變化引起的對流換熱所導致的[28]；在第120天時，地表溫度已經高于0 ℃，但由于土體溫度傳遞的滯后性，在距離地表一定深度范圍內的土體溫度仍處于負溫。

圖4 基坑土體溫度變化曲線Fig.4 Soil temperature curve of foundation pit

2.1.2 單孔凍結深度和凍脹力數據分析

圖5是距離地下連續墻10 cm探測孔內凍結深度、最大水平凍脹力隨時間的變化規律，由圖5并結合呼和浩特地區的溫度記錄可知，在當年11月—次年2月一直處于持續降溫階段，期間土體處在雙向凍結狀態，土體內部產生的溫度梯度加劇了土中孔隙水、毛細水的遷移，凍結鋒面持續向下移動[29]，水平凍脹力發展迅速，凍結速率較大。第110天左右，水平凍脹力達到最大，凍結深度維持在10 m左右，進入3月份后，隨著溫度的回升，凍土開始融化，凍脹力和凍結范圍迅速減小。

圖5 單孔凍結深度和最大水平凍脹力隨時間的變化曲線Fig.5 Curve of single hole freezing depth and maximum horizontal frost heaving force with time

表1 計算模型參數Table 1 Model parameters for computation

2.2 監測數據和模擬數據對比分析討論

2.2.1 溫度場模擬數據分析

通過圖4和圖6的對比分析可知，模擬的基坑外側土體溫度變化規律和變化范圍與實際現場監測結果基本一致，由于實際工程中土體存在不均勻性，且受現場環境等因素的影響，實際監測數據有較大波動，而數值模擬對土質等條件做了一系列假設，故模擬結果呈較為光滑的曲線。溫度場的模擬結果初步說明所建水熱力三場耦合模型合理，故可以在此模型的基礎上進一步研究凍脹條件下基坑支護體系的受力和變形情況。

圖6 溫度變化模擬曲線Fig.6 Simulation curve of temperature change

2.2.2 基坑支護體系受力和變形分析

為研究凍脹條件下支護結構對基坑的圍護作用，首先模擬了基坑外側土體在無橫撐支護下的凍脹變形。圖7為第110天時基坑周圍土體變形情況的三維剖面圖，由圖7可知，靠近臨空面的土體變形量比內側的大，凍脹變形主要集中于基坑兩側頂面三角區，最大位移量為8 cm；基坑底面地連墻角隅處也存在變形區域，而此處墻后的土體受地連墻的導熱系數的影響，幾乎沒有明顯的凍脹變形。

圖7 第110天時基坑周圍土體的變形Fig.7 Deformation of soil around foundation pit on the 110th day

基于水熱力耦合理論，利用COMSOL Multiphysics三維數值模型對橫撐進行受力分析。表2為越冬后三道橫撐最大軸力的監測值和模擬值的對比，橫撐軸力的現場監測結果與數值模擬計算結果相近，且三道橫撐的最大軸力都在控制值以內。選取具有代表性的第一道混凝土橫撐和第二道鋼管橫撐進行全監測時段的對比分析，如圖8所示，混凝土橫撐軸力在110 d左右達到極值113 9.46 kN，與越冬之前624.32 kN相比，軸力增長83%，而第二道鋼支撐軸力增長趨勢較緩，較越冬前軸力最大增長21%。之后隨著溫度回升，橫撐軸力有所減小。

表2 三道橫撐最大軸力監測值與模擬值對比Table 2 Comparison of monitoring value and simulation value of maximum axial force of three transverse braces

橫撐軸向受壓為正圖8 橫撐軸力監測值與模擬值對比Fig.8 Comparison of monitoring values and simulation values of transverse brace axial force

由圖8中看出，現場實際監測數據總體小于模擬值，這可能因為在監測過程中，橫撐因受溫度變化，內部產生了較大的溫度應力[30]。此外，混凝土的徐變，軸力計的靈敏度等因素都會對監測值產生影響[31]。而數值模型對土質及邊界條件進行了優化，且對基坑外側土體施加均勻的超壓，故現場實際數據與數值模擬數據存在差異，但數值模擬的規律基本符合現場監測結果。

對原支護條件下地下連續墻的變形進行分析，如圖9所示，墻體變形隨深度呈先增大后減小的趨勢，僅在凍脹力作用下，墻體頂部位移為0.3 cm，在距離基坑頂部6 m左右處位移達到最大值0.96 cm。而沿基坑深度方向，土體凍脹變形整體上隨圍壓增大呈衰減態勢，內支撐可能導致局部約束增強，引起凍脹力積聚和增加[32]，結合前兩道內支撐的作用位置以及土層條件分析可知，凍脹對基坑圍護結構水平位移的影響區域主要集中在0.45H(H為基坑深度)范圍內。由于第一道鋼筋混凝土支撐有效發揮其抗壓性能，限制了基坑頂部土體的變形，故墻體最大位移點從基坑頂部下移至6 m處，該處墻體的凍脹變形還與基坑側壁所處的土層條件有關，粉質黏土屬于凍脹敏感性土，且含水量較大，故產生的凍脹作用也較大。凍脹力和土壓力綜合作用下，在12 m深度左右，位移達到最大值2.48 cm，由凍脹引起的位移占總位移的32%。通過對比墻體的模擬和監測曲線可知，模型的變形規律基本符合現場實際監測數據，最大位移的模擬誤差為5.6%，二者吻合度較高。

墻身向臨空面移動為正圖9 地下連續墻水平位移的監測值和模擬值的對比Fig.9 Comparison of monitoring and simulation values of horizontal displacement of diaphragm wall

綜上所述，通過對越冬期間基坑土體溫度場以及基坑支護體系受力變形的監測與模擬結果的對比分析可知，所建三場耦合的計算模型和參數選取合理，可為呼和浩特地區修建地鐵車站深基坑支護工程提供科學指導和理論參考。

3 支護體系優化

通過對原支護條件下橫撐軸力與地連墻位移分析可知，原支護滿足規范要求但設計相對保守。設置兩種優化方案，分別約每8 m和9 m布設一道橫撐。本節基于COMSOL Multiphysics數值模型，模擬不同橫撐縱向間隔方式對基坑支護體系的影響，繪制了不同工況下的橫撐軸力變化圖(圖10)以及墻身位移曲線(圖11)。

圖10 不同間隔方式下三道內支撐軸力的變化Fig.10 Variation of axial force of three supports with different spacing

圖11 不同工況下墻身水平位移曲線Fig.11 Horizontal displacement curve of wall under different conditions

由圖10的模擬結果可以看出，三道橫撐軸力整體上隨橫撐縱向間隔的增大而增大，其中第二道橫撐軸力在8 m支護間隔下為2 588.45 kN，9 m支護間隔下為2 762.77 kN，相較于原支護體系，軸力分別增長了15%、23%。經校驗，內支撐的強度、穩定性均滿足設計要求。由圖11的模擬結果可以看出，在不同工況下地連墻的水平位移規律具有相似性，最大位移點較原支護有向下移動的趨勢，在9 m支護間隔下地連墻的最大位移為2.9 cm，接近控制值3 cm。由于數值模擬過程中將極端溫度進行擬合處理，實際應考慮呼和浩特地區極端低溫對支護體系的不利影響，因此，為確保支護結構的穩定性，同時節約內支撐用料消耗，該越冬基坑支護時，橫撐宜采用8 m的縱向間隔。

4 結論

結合工程實例，通過對季凍區越冬地鐵車站基坑支護體系受力和位移的模擬分析，得出以下結論。

(1)采用COMSOL Multiphysics軟件建立三場耦合模型，重點模擬在凍脹條件下支護體系受力和變形，其模擬結果和實際監測結果的變化趨勢基本一致，說明本文所建立的三維數值模型可靠。

(2)根據凍脹條件下基坑支護體系受力變形的監測和模擬結果，凍脹變形主要集中在0.45H(H為基坑深度)范圍內，此范圍內基坑圍護結構需要加強處理，或采取適當的保溫措施。

(3)通過模擬改變橫撐縱向間距分析支護體系的受力變形情況可知，縱向間隔為8 m的橫撐支護滿足設計規范且較為合理。因此建議呼市相似基坑工程采用地下連續墻和8 m間隔的內支撐支護。