地鐵深基坑施工過程受力變形規律與數值分析

臧士文 鄭 偉

（1.深圳地鐵建設集團有限公司，廣東 深圳 518000；2.中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

在地鐵基坑開挖過程中，基坑支護結構以及周圍土體的應力應變均具有一定的時空演變效應，在不同的開挖進程中，支護結構的受力與變形、土體的沉降均受到多種因素的影響，為解決地鐵深基坑動態施工多次對支護結構的受力、變形以及土體的沉降影響程度，該文嘗試采用數值模擬手段，通過建立三維有限元分析模擬，以深圳地鐵鐘屋站為研究對象，分析基坑開挖進程中，地下連續墻的水平位移、結構內支撐的軸力以及基坑周圍地表的沉降情況，研究成果可為地鐵深大基坑的支護和監測決策提供參考。

1 工程概況

深圳市城市軌道交通12號線工程鐘屋站為第18個車站，車站為地下2層2島3線式站臺，站臺寬9 m，有效站臺長度140 m，車站內含有2條機場東出入段線，車站總長595.8 m。車站頂板到地表的垂直距離為3.23 m~4.46 m，標準段結構外輪廓寬度為30.300 m~32.454 m。

車站采用明挖法與半鋪蓋法相互結合的施工方法，基坑的深度為21.0m，豎向設置3道支撐。車站主體結構主要位于全風化混合花崗巖，不需要爆破，采用機械開挖施工。車站主體圍護結構形式為嵌固封閉式地下連續墻，墻厚度為800mm。在豎向方向上設置3道支撐，第一道支撐材質為鋼筋混凝土，支撐的寬度為800mm，高度為1000mm，第二道和第三道內支撐均為鋼結構，均采用外直徑為609mm，厚度為16mm，材質為Q235B的鋼管。鐘屋站標準段支護結構剖面如圖1所示。

圖1 鐘屋站標準段支護結構剖面（單位：mm）

2 場區工程地質條件

該場地內各土層的地層特征見表1。

表1 車站基坑開挖影響范圍內的地層特征

3 地鐵車站深基坑動態施工數值模型的建立

基坑開挖范圍內地層的修正摩爾庫倫模型參數見表2。

表2 車站基坑開挖影響范圍內的地層滲透系數

計算時，地下連續墻采用板單元模擬，泊松比取為0.2，彈性模量為3.1×10kN/m，鋼支撐和鋼圍檁采用桁架單元模擬，泊松比取為0.3，彈性模量為2.0×10kN/m，鋼筋混凝土支撐采用梁單元模擬，泊松比取為0.2，彈性模量為3.0×10kN/m。基深為21.0m，地下連續墻嵌固深度為10m，因此在重力方向上取整體模型的尺寸為50m，在水平橫向方向上，基坑的外輪廓寬度為30.000m，因此整體模型分別向基坑外輪廓寬度外擴50m，取為130m，在水平縱向方向上，車站的外包長度為595.8m，因此整體模型分別先基坑外輪廓長度外擴約50m，取整數為700m。在邊界的設定上，基坑整體模型的地表為自由邊界，無約束；整體模型的底部邊界為固定邊界；整體模型的四周可以產生重力方向的移動，但無水平方向的位移。建立的隧道-土體整體模型如圖2所示。為模擬基坑動態施工過程，計算步驟與開挖步驟一致。鐘屋站基坑開挖方式為分層放坡開挖，分層情況具體如下。第一層：開挖至冠梁、支撐梁底部，開挖層高1.70m；第二層：待冠梁、支撐梁達到設計強度后，縱向從端頭放坡，開挖層高4 m；第三層：繼續開挖層高3.9 m至第一道鋼支撐底部0.5 m，安裝第一道鋼支撐；第四層：開挖4.8m，至第二道鋼支撐底部0.5 m，安裝第二道鋼支撐；第五層：繼續開挖至基底以上50cm的位置，層高4.7m；第六層：基坑底部0.5 m范圍內，采用人工開挖。

圖2 地鐵車站深基坑整體模型

4 地鐵車站深基坑動態施工數值模擬結果分析

4.1 地鐵車站深基坑地下連續墻變形規律

圖3為開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標準斷面地下連續墻的位移變化情況。從圖中可以看出，在開挖至第四層級時，地下連續墻的實測值和模擬值均沿著墻體豎向整體成“弓”狀，且實測值最大位移值為24.20mm，最大位移發生的位置為基坑當前第四層級的開挖面上，模擬值最大位移值為16.35mm，比實測值小7.85mm，最大位移發生位置也為第四層級的開挖面上；在開挖到第五層級時，地下連續墻的實測值和模擬值均沿著墻體豎向整體成“弓”狀，且實測最大位移值為34.00mm，最大位移發生的位置為基坑當前第五層級的開挖面上，模擬最大位移值為23.25mm，比實測值小10.75mm，最大位移發生位置也為第五層級的開挖面上；同樣地，在開挖到基坑底部時，地下連續墻的實測值和模擬值均沿著墻體豎向整體成“弓”狀，最大位移發生位置也為基坑底部的開挖面上。由此可知，地下連續墻的變形實測值曲線與變形模擬值曲線的演變規律基本相同，均呈現出“弓”狀，且最大位移發生的位置為當前開挖面上，并且水平位移峰值隨著開挖深度的增加而不斷增大。

圖3 不同層級開挖條件下基坑地下連續墻的變形實測值與變形模擬值對比

4.2 地鐵車站深基坑支撐結構受力

表3為開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標準斷面內支撐軸力變化情況。從表3中可以看出，在施作完成第一道鋼筋混凝土支撐后，其受力為壓力，軸力值大小為185.34kN，而開挖到第3層次后，由于完成了第二道鋼支撐的布設，使第一道鋼筋混凝土支撐的軸力逐步被分擔，因此其內力有所減少，軸力值大小為157.34kN，在地鐵車站深基坑不斷開挖的過程中，第一道鋼筋混凝土支撐的軸力都是不斷減少的；第二道鋼支撐的布設是在基坑開挖到第3層級后開始的，隨著開挖至第4層級，軸力增加了近一倍，隨后在地鐵車站深基坑的不斷開挖過程中，第二道鋼支撐的軸力變化相對平穩；第三道內支撐自架設后，其軸力從937.45 kN先減少到739.56 kN，后略為增加到778.45 kN。

表3 開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標準斷面內支撐軸力變化

4.3 地鐵車站深基坑地表沉降規律

圖4為開挖到不同層級條件下地鐵車站深基坑中部標準斷面地表沉降變化情況。從圖4中可以看出，任意一個開挖層級條件下，基坑地表沉降曲線均呈現出“勺”狀凹陷的變化規律，且地表沉降的最大值隨著基坑開挖的不斷深入而有所增加，開挖第一層級時，地表沉降最大值為1.8mm，而在開挖至第三層級時，地表沉降最大值為10.00mm，在開挖至基坑底部時，地表沉降最大值為16.05mm，所有開挖層級條件下，距離基坑邊線約為5 m的地方存在沉降峰值，且在所有開挖層級下，地表距離基坑約1倍基坑深度后其沉降值小于3 mm，表明基坑動態施工對地表沉降的影響在1倍基坑范圍內，在施工過程中應該加強該范圍內的地表和建筑物位移的監測。

圖4 開挖到不同層級條件下地表沉降變化曲線

5 結論

該文以深圳市城市軌道交通12號線工程鐘屋站為研究對象，運用有限元模擬手段對地鐵車站深基坑動態施工過程進行計算，得出以下3個結論：1）地下連續墻的變形實測值曲線與變形模擬值曲線的演變規律基本相同，均呈現出“弓”狀，且最大位移發生的位置為當前開挖面上，并且水平位移峰值隨著開挖深度的增加而不斷增大2）在地鐵車站深基坑動態開挖過程中，第一道鋼筋混凝土支撐軸力不斷減少，第二道鋼支撐的軸力先增加，隨后呈穩定狀態，第三道鋼支撐呈現先減少后增加的趨勢。3）任意一個開挖層級條件下，基坑地表沉降曲線均呈現出“勺”狀凹陷的變化規律，峰值存在逐步增加的效應。