地鐵車站深基坑開挖影響分析

趙 平 唐文芳

（銅陵學院，安徽 銅陵 244061）

基坑工程屬于巖土工程，本身具有較強的不確定性、復雜性及偶然性[1]。研究地鐵車站深基坑開挖影響對改善城市交通，減小因為地鐵車站深基坑開挖而帶來的影響對于城市建設具有較大意義[2]。為研究基坑在開挖工程中對周圍產生的影響，許多學者進行了相關研究。文獻[3]建立了三維模型，研究了基坑開挖期間圍護結構的變形情況；文獻[4]分析研究了基坑開挖對附近隧道的變形影響；文獻[5]針對某地鐵車站基坑在開挖施工中的時空效應開展了相關研究；文獻[6]以臨海地區的深基坑為研究對象，對該基坑開挖過程中圍護結構變形的影響因素進行了歸納總結；文獻[7]研究了天津地區的基坑工程開挖過程中支護結構的內力變化情況。雖然這些文獻對基坑開挖的影響開展了相關研究，但是目前針對合肥市的地鐵車站基坑開挖影響的研究尚少。本文以實際地鐵車站深基坑為依托，建立三維立體模型，進行數值模擬，研究分析了合肥市某地鐵車站深基坑在開挖過程中對圍護結構水平、周圍地表沉降以及基坑底部隆起產生的影響，研究結果可為類似工程提供參考。

一、工程概況

合肥市某地鐵車站深基坑長度為120m，標準段的寬度尺寸為20m和擴大端寬度尺寸為24m。基坑開挖的深度為24m。圍護體系為直徑1.2m的鉆孔灌注樁，樁之間的距離為1.8m，選用內支撐支護體系。基坑中設置5道支撐，自上而下分布。其中，第1道采用鋼筋混凝土支撐，第二道及其他內支撐均為鋼支撐。內支撐的相關參數見表1。土層為5層，自上而下分別為：（1）人工雜填土；（2）粉質黏土；（3）黏土；（4）泥質砂巖；（5）強風化砂巖。建立計算模型的具體力學參數見表2。

表1 內支撐結構截面尺寸

表2 計算模型力學參數

二、MADAS/GTS數值模型的建立

（一）基本假定和邊界條件

基本假定：（1）各層土體均選擇Mohr Coulomb為本構模型，其他材料均假定為線彈性；（2）土體分布均勻；（3）不考慮地下水的影響。邊界條件為：地表為自由面，不設置約束，4個側面邊界均受到平面法向位移約束，模型底部為固定約束。基坑附近所受其他荷載簡化成基坑邊緣的均布荷載，其值為21kN/m2。

（二）模型結構設計參數

模型的支護結構的相關參數如表3所示。地連墻選擇3D實體，冠梁選擇植入式梁，混凝土支撐及鋼支撐選擇植入式桁架。考慮到基坑開挖過程中會產生邊界效應的影響條件[8]，本文建立的模型尺寸為：300m×150m×70m。模型共計23,159個單元，16,626個節點，三維模型網格劃分情況如圖1所示。

表3 支護結構參數

圖1 模型網格劃分圖

（三）模擬工況

模型定義的基坑開挖過程施工階段共計11個（以下簡稱“工況”）。工況(1)：進行初始地應力分析；工況(2)：位移清零；工況(3)：地下連續墻施工；工況(4)：土體開挖至-2.5m，同時在-2m增加一道支撐；工況(5)：開挖至-6m，并在-5.6m增加一道支撐；工況(6)：開挖至-8m；工況(7)：開挖至-10m；工況(8)：開挖至-12m，并在-11.5m增加一道支撐；工況(9)：開挖至-18m，并在-17.5m增加一道支撐；工況(10)：開挖至-21m，并在-20.5m增加一道支撐；工況(11)：開挖至-25m，底板施工。

三、數值模擬結果分析

（一）圍護結構的水平位移分析

地鐵車站深基坑開挖會對圍護結構的水平位移產生影響。圖2為基坑開挖對圍護結構水平位移的影響結果。

圖2 圍護結構水平位移變形規律圖

通過對比分析圖2可以發現，同一圍護結構的不同位置，其水平位移受基坑開挖的影響。此外，從工況（4）到工況（11），圍護結構在同一深度的水平位移也在不斷變化，且呈現出一定的規律性。總體上來看，隨著基坑的開挖，基坑不同深度的圍護結構水平位移呈現出“先增大后減小”的趨勢，這個規律與文獻[9]的研究結果相吻合。當基坑開挖至底部即工況（11）時，圍護結構的水平位移在基坑中部深度約為12m的位置達到最大值，約為10.8mm。具體來看，初始開挖即工況(4)時，基坑開挖對圍護結構的水平位移影響較小,圍護結構的水平位移隨著基坑深度的增加而逐漸減小，基坑頂部圍護結構位移最大值為5mm，基坑底部圍護結構位移幾乎為0。工況（6）時，圍護結構水平位移增大，最大值約為6.7mm，出現在基坑深度約為6m的位置；工況（8）時，圍護結構水平位移增大，最大值約為8mm，出現在基坑深度約為12m的位置；工況（10）時，圍護結構水平位移繼續增大，最大值約為9.3mm，出現在基坑深度約為12m的位置；基坑開挖后期即工況(11)時,基坑頂部圍護結構水平位移約為7.5mm，隨著基坑深度的加大，圍護結構的水平位移呈遞增趨勢，在基坑中部位置即深度約為12m處，圍護結構水平位移達到最大值約10.8mm。此時基坑中部容易因基坑中部土體變形過大而產生破壞，施工時應加強基坑中部圍護結構水平方向的監控與保護。此后，隨著基坑深度的增加，圍護結構的水平位移呈遞減趨勢，基坑底部圍護結構水平位移最小值約為6mm。這是由于基坑內外的壓力差值隨著基坑開挖深度的增加而逐漸變大，內外土壓力差使得圍護結構產生變形，表現為圍護結構的位移增大，但是這種變形因為受到水平支撐的影響而不是線性的。

（二）地表沉降分析

從圖3可以看出，基坑開挖會對周圍地表沉降產生影響。總體來看，隨著基坑開挖深度的增加地表沉降曲線呈現出隨著距離基坑Y方向邊緣增加，地表沉降先增大后減小，然后逐漸趨于穩定的規律。沉降變化曲線呈“拋物線”狀，最大值約為11.9mm，出現在工況（11）距離基坑Y方向邊緣距離約為10m（即x=10m）的位置。這是由于基坑開挖使得初始的土體應力平衡狀態得到了破壞，開挖后的基坑土體應力為了達到新的平衡，基坑周圍土體會向著基坑內側變形，從而使得地表產生沉降，地表沉降值隨著基坑開挖深度的增加而越來越大。此外，基坑的圍護結構比土體材料的剛度大，對周圍土體的變形起到制約作用，進而影響地表沉降變化范圍。具體來看，基坑初始開挖即工況(4)時地表沉降量較小，且隨著距離基坑邊緣距離的變化，沉降值變化較小，最大值出現在x=15m的位置，最大值約為4.3mm。工況（6）時，地表沉降增大，最大值約為7.2mm，發生在x=10m的位置；工況（8）時，地表沉降增加，最大值約為8.3mm，發生在x=10m的位置；工況（10）時，地表沉降繼續增加，最大值約為10.1mm，發生在x=10m的位置；工況(11)時，當x=0時，地表沉降量約為5.5mm；此后，隨著x的不斷增大，地表沉降量也在逐漸增加，當x=10m時，達到最大值，最大值約為11.9mm；此后，隨著x的不斷增大，地表沉降量在逐漸減小，當x超過55m時，地表沉降量較小，且趨于穩定，當x=60m時，地表沉降量約為3.9mm。

圖3 地表沉降變形規律圖

（三）基坑底部隆起分析

距離基坑中部距離的不同，基坑底部隆起情況受基坑開挖的影響不同。不同的施工工況對同一位置的坑底的隆起影響亦不同。基坑的開挖對基坑底部影響規律見圖4。

圖4 基坑開挖過程中坑底隆起規律圖

通過對比分析圖4不難發現，基坑開挖會產生基坑坑底土體隆起現象。總體上來看，基坑底部隆起變化呈現出“中間大，兩端小”的規律，最大值約為19.3mm，出現在距離基坑中部距離約2m的位置。具體來看，基坑底部隆起值隨著與基坑中間位置的距離改變而改變，表現為隆起值先增大后減小，再趨于穩定的特征。從工況(4)到工況(11)，同一位置的基坑底部隆起值逐漸增大，且增大的幅度越來越小，最后趨于穩定。工況(4)時基坑底部隆起值相對較小，最大值約為8mm；工況（6）時基坑底部隆起值增大，最大值約為12mm；工況（8）時基坑底部隆起值增大，最大值約為15mm；工況（10）時基坑底部隆起值繼續增大，最大值約為17.3mm；工況(11)時，基坑底部隆起值較大，最大約為19.3mm。整個開挖過程，基坑坑底隆起最大值都出現在距離基坑中部約2m的位置。產生這種現象的原因是基坑內的土體隨著基坑的開挖而逐漸減少，開挖掉的土體會釋放自重應力，原來的土體應力平衡遭到破壞，為了達到新的土體應力平衡，基坑底的土體會產生向上的變形即“隆起現象”，同時基坑圍護及支撐結構對坑底土體隆起有一定的約束作用。

四、結論

本文的研究工作主要得到以下四點結論：

（1）隨著基坑開挖深度的增加，圍護結構水平位移隨深度的變化呈現出“先增大后減小”的趨勢，基坑開挖至底部時，圍護結構水平位移達到最大值，最大值約為10.8mm，出現最大值的位置在基坑中部約12m位置，施工時應加強基坑中部圍護結構水平方向的保護。

（2）地表沉降變化曲線呈“拋物線”形式，最大值約為11.9mm，最大值出現在距離基坑Y方向邊緣距離約為10m的位置。

（3）基坑底部隆起變化規律呈現出“中間大，兩端小”的趨勢，最大值約為19.3mm，最大值出現在距離基坑中部約2m的位置，隆起值相對較大，需要在施工時加強坑底隆起的監測與控制。

（4）本文進行的是對地鐵車站深基坑開挖影響的數值模擬分析，研究結果可為類似工程提供參考，下一步將結合現場的監測數據與數值模擬結果進行對比研究分析。