地鐵車站深基坑動態施工過程受力變形規律與數值分析

鄭敏敏

(蘭州信息科技學院，蘭州 730000)

0 引 言

作為環境友好型交通出行方案，城市地鐵的建設極大地改善了我國城市地面交通擁堵問題。在復雜場地條件下，對新建地鐵車站深基坑的動態施工過程力學性能也提出了更高的要求[1-3]。在既有地鐵車站附近，新建地鐵車站是一項復雜的系統工程，施工風險很大[4-5]。因此，有必要開展針對性的研究，以確保新建地鐵車站在動態施工過程中的安全與穩定。

數值模擬是研究深基坑動態施工過程力學和變形特性的重要方法[6-8]。為了解決現實的基坑穩定性問題，Lambe指出利用工程經驗或數值分析方法可以更有效地解決這些問題[9]，工程經驗方法具有高度的主觀性，在理論基礎上有一定的缺陷，不能準確反映復雜施工環境下深基坑動態施工過程中的力學效應，數值模擬方法則可以更加方便和準確地分析和預測此類問題[10-11]。謝秀棟等[12]對臨近鐵路的深大基坑工程施工建立三維數值模型，依據實際施工中的分層開挖、分塊開挖工序，研究和分析深基坑施工與鄰近鐵路荷載的相互作用，揭示基坑動態施工過程中鄰近鐵路的深基坑工程變形特性。俞欽欽等[13]利用自行開發的分析軟件F-RFPA2D對廣州地鐵2號線隧道施工引起的海珠廣場地面沉降事故進行數值模擬分析，總結了沉降事故的原因。溫淑荔[14]對上海地鐵9號線宜山路地鐵站承壓含水層進行了數值模擬分析，提出幾種可有效控制周圍地面沉降和變形的對比方案。陳江等[15]以上海地鐵10號線杭中路地鐵站為研究背景，采用三維有限差分法對不同基坑圍護結構深度的降水進行分析，進而優化基坑圍護結構設計。

本文以武漢某地鐵車站深基坑工程為背景，結合現場實測數據，建立三維有限元數值模型，分析鄰近既有地鐵條件下，新建地鐵車站深基坑工程動態施工過程中的受力和變形特性，得出一些有益的結論。

1 項目概況

武漢市軌道交通16號線老關村站與6號線既有老關村站平行，為地下兩層島式換乘站。換乘站為地下兩層島式車站，為雙柱三跨結構，車站主體結構全長227.30 m，寬22.20 m(標準斷面)，有效站臺長140 m，寬13 m。車站采用明挖法施工，有效站臺中心里程處基坑深度16.68 m，車站頂部覆土3.2 m。主體圍護結構采用地下連續墻與內支撐相結合的支撐形式：既有車站相鄰側及大里程端部地下連續墻厚度為1 000 mm，其余側地下連續墻厚度為800 mm，墻頂設冠梁。鋼筋混凝土支撐(第一道和第二道)和鋼支架(第三道和第四道)作為水平支撐系統。見圖1。

圖1 新建地鐵車站基坑平面布置圖

2 三維數值模型的建立

2.1 數值模型的基本假設

新建地鐵車站深基坑呈長條形，與既有地鐵車站相互平行，施工現場環境隨深基坑的開挖而發生變化，缺乏與現場土壤加固試驗和現有車站主體結構相關的詳細報告。為了使建立的模型更接近實際，且計算模型簡化，提高計算效率，計算過程中對三維模型作出以下假設：

1)各土層厚度均勻且水平，厚度大小為各土層平均厚度。

2)忽略土層中的夾層薄層和透鏡體的影響，認為同一土層為均質各向同性的土體。

3)計算時忽略地下水的滲流影響，保證開挖前，地下水已降低至開挖面以下2.0 m。

4)針對基坑施工過程，不考慮實際施工過程中分段開挖對基坑的影響，認為逐層開挖均為一次完成。

5)地下連續墻的物理力學性質沿墻的深度保持不變，周圍土層的摩擦力系數不受深度的影響。

6)無論施工機械、建筑材料堆載和基坑周圍淤泥土層的具體分布如何，沿基坑邊緣周圍20 m范圍內均按20kPa的地面超載考慮。

2.2 建立三維數值模型

根據相關研究，基坑開挖和支護施工對基坑的影響深度一般為2H～4H(H為基坑開挖深度)，影響寬度一般為基坑開挖深度的3～5倍。因此，根據有效站臺中心里程處基坑深度16.68 m，車站主體結構全長227.30 m，寬22.20 m，本文給出的整體模型尺寸為450 m×168 m×52 m，見圖2。

圖2 三維數值計算模型

本文采用修正的Mohr-Coulomb本構模型對土體的工程特性進行模擬計算。結合武漢地區深基坑工程經驗和本項目的巖土工程勘察報告，認為基坑底部和兩車站之間的土層加固將增強支護體系的承載能力，場地各層土的物理力學參數也將得到適當改善。場地各土層厚度及主要物理力學性質見表1，新建車站深基坑支護結構體系的本構參數見表2，既有車站結構梁板和柱的本構參數見表3。

表1 各土層主要物理力學參數

表2 新建車站基坑支護體系的本構參數

表3 既有車站結構的本構參數

2.3 動態施工過程模擬

根據該工程的施工方案，基坑內的土方開挖面超過每道內支撐軸線以下一定深度，混凝土支承為下方0.5 m，鋼支撐為下方0.4 m。因此，建立新建車站深基坑動態施工模擬過程，見表4。

表4 新建車站深基坑動態施工過程

3 數值模擬結果

3.1 地下連續墻的水平位移

為便于敘述，規定X軸方向為基坑的長度方向，Y軸方向為基坑的寬度方向，兩者均為水平方向；Z軸方向為基坑的深度方向，向上為正。

圖3和圖4分別為不同動態施工工況條件下地下連續墻在Y方向和X方向的水平位移云圖。

圖3 不同動態施工工況條件下地下連續墻在Y方向上的水平位移云圖

圖4 不同動態施工工況條件下地下連續墻在X方向上的水平位移云圖

從圖3和圖4中可以看出，在基坑的動態施工過程中，地下連續墻的變形逐漸向基坑內部發展；基坑兩側地下連續墻的最大水平位移出現在基坑的中部，隨著基坑開挖越深，最大水平位移值位置沿地下連續墻向下逐漸移動；基坑長邊地下連續墻的變形比基坑短邊地下連續墻的變形更為明顯；基坑長邊的最大變形量接近短邊最大變形的兩倍。

圖5為在不同動態施工工況條件下，地下連續墻在不同位置處的水平位移曲線。結合圖1和圖5可以看出，當基坑開挖到基坑底部時，基坑東側長邊中點位置截面的墻體最大水平位移約為38 mm；基坑北側短邊中點位置截面墻體最大水平位移約為20 mm；在基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近的地下連續墻，墻體的最大水平位移約為25 mm；以上所有最大水平位移均出現在墻頂以下2/3墻體深度位置。

圖5 地下連續墻的水平位移曲線

以上分析結果表明，基坑北側短邊中點位置截面墻體變形最小；其次為基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近的地下連續墻，基坑東側長邊中點位置截面的墻體的變形量最大，長邊中點位置是深基坑動態施工開挖過程中圍護結構變形監測的關鍵區域。

3.2 內支撐軸向力

根據數值模擬得到的計算結果，選擇基坑標準段斷面、基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近位置，分析各內支撐軸向力隨動態施工過程的變化情況，統計結果見表5。

從表5中的數據可以看出，不同位置處的第一道支撐軸力隨著基坑開挖進程的不斷發展而逐漸減小，基坑開挖到基底時，標準斷面水平支撐和基坑北端頭井水平斜撐的軸向力非常接近，約為100 kN。另外，按第一道支撐軸力大小排序，為標準斷面水平支撐最大，基坑北端頭井水平支撐最小，基坑北端頭井水平斜撐介于兩者之間，表明基坑端頭的空間效應更加明顯，有利于改善第一道支撐的應力；基坑不同位置處的第二道支撐、第三道支撐的軸力隨動態施工的發展而上下波動，最終趨于穩定；從工況6至工況7，第四道支撐的軸向力出現明顯的增加。總體上可以發現，設置第二道和第四道支撐后，可有效減小各自上一道支撐的軸力。

表5 動態施工過程中各內支撐軸力變化

3.3 數值模擬與實測值的對比分析

采用數值模擬結果與現場實測對比分析的方法，對地鐵車站深基坑動態施工過程中的應力特征和變形規律進行分析。將監測點DBC7-2、DBC7-3對應的地下連續墻水平位移提取出來，結合監測數據得到的地下連續墻變形曲線比較，見圖6。

從圖6中可以看出，數值模擬結果與現場實測值之間存在一定的差異，特別DBC7-2對應的地下連續墻的水平位移差異尤為明顯。但總體而言，數值計算結果可較好地揭示地下連續墻的水平位移變化規律，這與實際觀測情況基本一致。

圖6 地下連續墻水平位移數值計算結果與現場實測值對比

表6為各施工階段各道支撐軸力數值模擬計算值與現場實測值之間的比較。從表6可以看出，當基坑開挖至第一道支撐時(工況3)，數值模擬計算表明支撐處于受壓狀態，但實際上支撐承受著72.12 kN的張力；在后續施工工況條件下，第一道、第三道支撐軸力實測值均大于數值模擬計算值，同時第二道、第四道支撐軸力實測值均小于數值模擬計算值。

綜合圖6和表6可知，由于支撐軸力不僅是由基坑本身土體開挖和卸載引起的，而且還受施工荷載和現場施工條件的動態變化的影響。因此，在各個動態施工過程中，實際復雜多變的施工環境下，支撐表現出與數值模擬計算不同的應力和變形特性。

表6 動態施工過程中各內支撐軸力數值模擬計算值與現場實測值比較

圖7為新建地鐵車站基坑地面沉降測量點的布置；圖8為基坑開挖到底部時，標準斷面(監測點DBC7-3至監測點DBC7-5斷面)的地表沉降數值模擬計算曲線；圖9為新建地鐵車站基坑標準斷面同一側的地表沉降實測值變化。

圖7 新建地鐵車站基坑地面沉降測量點的布置

圖8 標準斷面地表沉降模擬計算值

圖9 新建地鐵車站基坑標準斷面同一側的地表沉降變化

從圖8中可以看出，三維模擬計算的最終地表沉降曲線呈“溝槽”狀。從圖9中可以看出，計算的地表沉降量明顯大于現場實測值，這是因為數值模擬與現實條件之間，兩者的卸載條件和地層條件之間有所不同所致。數值模擬計算最大地表沉降出現在距基坑邊緣約13 m的位置處，沉降值大小為-10.3 mm，該位置實測沉降最大值的位置相近。

4 結 論

運用三維數值模擬手段研究地鐵深基坑施工動態過程，分析了支護結構的受力和變形特性，包括地下連續墻的水平位移、內支撐的軸力以及周邊地面沉降。同時，結合現場實測數據對比數值計算的異同，結論如下：

1)地下連續墻的變形隨著開挖進程的持續進行而逐漸向基坑內部發展；基坑兩側地下連續墻的最大水平位移位于基坑中部，且最大水平位移位置隨著動態施工過程的發展，沿墻逐漸下移，在墻頂以下2/3墻高的深度處穩定。基坑長邊處的地下連續墻變形比短邊更為明顯，長邊地下連續墻的最大變形量是短邊地下連續墻最大變形量的兩倍。

2)基坑北側短邊中部地下連續墻變形最小，其次是基坑北端頭井與既有地鐵車站臨近的地下連續墻變形，基坑長邊中部地下連續墻變形最大。在深基坑開挖施工中，基坑長邊中部區域應作為監測基坑支護結構變形的關鍵區域。

3)不同位置的第一道支撐軸向力隨著動態施工過程的不斷發展而逐漸減小，基坑端頭的空間效應更加明顯，有利于改善第一道支撐的應力；隨著動態施工條件的發展，第二道支撐、第三道支撐的軸力在上下波動，最終趨于穩定，設置第二道支撐和第四道支撐后，可有效減小各自上一道支撐的軸力；基坑開挖過程中，第二道支撐的軸力最大，應加強該道支撐的監測。

4)地表沉降的影響范圍隨開挖的不斷深入而逐漸擴大，其沉降值不斷增加。對比現場實測數據與模擬計算結果可知，數值模擬能夠較好地反映基坑的一般力學特性，在一定程度上反映了施工過程的進展。然而，由于數值模擬方法不能充分、實時地響應現場實際施工環境的動態變化，因此仍然具有局限性。