復雜地層明挖地鐵車站基坑施工穩定性數值模擬研究

高 闖

（中鐵二十五局集團第五工程有限公司，山東 青島 266000）

由于地鐵車站環境復雜，基坑開挖卸荷時會引起土體變形和地表沉降，對周圍建筑物及地下管線產生較大的影響，因此保持基坑開挖的穩定性尤為重要。易默成等[1]以某地鐵深基坑工程SMW 工法樁支護結構為研究對象，進行變形實測分析及有限元數值模擬研究。根據實測數據得出不同工況下的變形曲線，提出最大水平側移與最大地表沉降的冪函數擬合公式。熊勝等[2]研究風化巖土質深基坑在開挖過程中的變形演化規律，采用PLAXIS3D 軟件建立三維數值模型，分析基坑開挖深度、載荷位置、載荷大小對深基坑開挖過程變形的影響規律。李煒明等[3]通過研究復雜地層大直徑地鐵盾構井基坑施工土體變形規律，得出數值模擬與工程實際具有顯著的差異性。馮春蕾[4]以北京和天津兩地地鐵車站深基坑工程建設為背景，從變形特性、安全穩定、工程風險分析及控制等方面展開研究，旨在初步形成能夠對復雜地層條件下城市軌道交通建設進行統籌規劃的工程建設安全管理體系。曹勇等[5]為探究復雜填海地層中深基坑的變形規律，對深圳地鐵13 號線深登明挖區間開挖過程中圍護樁水平位移和地表沉降的現場監測數據進行了分析。張靈熙等[6]在蘇州7 號線某交匯車站基坑工程中，為降低新建車站施工過程對既有運營車站的影響，在鄰近區域設置液壓伺服系統，并對比分析采用伺服系統區與采用普通鋼支撐區的位移與沉降。

以青島地鐵2 號線二期工程合川路車站基坑開挖為背景，通過采用有限元分析方法，建立三維數值模型，研究基坑開挖施工過程中土體穩定及支護結構變形問題。

1 工程概況

合川路車站是青島地鐵2 號線二期工程的第3 座車站，為地下2 層11 m 島式車站，車站總長217 m，標準段寬19.9 m，最大寬度24.7 m，主體基坑采用鉆孔灌注樁結合內支撐的支護型式，內支撐采用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐，支護示意圖如圖1 所示，具體支護參數見表1。

表1 支護參數表

圖1 基坑支護示意圖

本站地下水較為豐富，設700 mm 厚TRD 混凝土半包止水帷幕，進入強風化下亞帶以內1.5 m。合川路站所在場區地層由上而下分別為素填土、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖，巖面起伏較大，車站底板位于中風化花崗巖及微風化花崗巖層中。各地層主要物理力學參數見表2。

表2 地層主要物理力學參數表

2 數值模擬方法與過程

2.1 基本假定

為了更好地表達基坑開挖過程中支護結構的受力特性和變形特點，在數值模擬分析過程中進行相應簡化，并做出假定如下：開挖前各層土在自重下固結且為各向同性的均勻彈塑性體；土體厚度取車站開挖時土層厚度的平均值；初始應力場中只考慮土體自重，基坑開挖過程中，不考慮施工荷載對土體的影響；基坑開挖時考慮15 MPa 的地面超載。

2.2 數值模擬方法

通過考慮基坑開挖施工范圍內既有建筑物位置以及施工的影響區域，基坑施工的三維模型尺寸選取為300 m×100 m×50 m（長×寬×高），模擬基坑開挖分5 步進行，每步序開挖深度為4 m 左右。模型整體示意圖如圖2 所示。

圖2 模型整體示意圖

模型中地層簡化為水平勻質分布地層，采用摩爾-庫倫本構建立3D 單元模型，TRD 混凝土止水帷幕采用2D 板單元模擬，灌注樁與支撐通過建立1D 梁單元模擬，建立界面和樁端單元來保證樁與土體之間的耦合。具體示意圖如圖3 所示。

圖3 TRD、樁、支撐模擬示意圖

施加自重，基坑周圍地面超載為15 kN/m2。對模型整體施加自動邊界條件，默認約束模型底部X、Y 方向位移，左右約束X 方向位移，前后約束Y 方向位移；對模擬支撐的1D 梁單元節點進行約束自由度如圖4 所示，以保證其與周圍土體耦合。

圖4 梁單元（支撐）節點自由度約束示意圖

2.3 數值模擬過程

數值分析軟件施工階段的模擬是通過激活/鈍化相關網格組、荷載組以及邊界條件等，模擬基坑施工中的開挖、支護等施工過程。具體施工步驟如下：計算初始應力場，激活所有土層、開挖區域、灌注樁與TRD 混凝土止水帷幕，激活自重、地面超載與邊界條件，清零位移；鈍化基坑開挖第一步的土層；鈍化基坑開挖第二步的土層，激活冠梁、第一道混凝土支撐、鋼支撐；鈍化基坑開挖第三步的土層，激活第二道鋼支撐與鋼圍檁；鈍化基坑開挖第四步的土層，激活第三道鋼支撐與鋼圍檁；最后開挖剩余第五步的土層。

3 數值計算結果分析

3.1 基坑開挖對灌注樁的影響分析

3.1.1 樁體水平位移

隨著基坑開挖的進行，樁體產生一定的水平變形位移，土體在側向卸荷的情況下，隨著抗剪強度的降低抵抗變形的能力會減弱[7]，這是樁體向開挖側位移的主要原因。樁體水平位移示意圖如圖5 所示；樁體水平位移最大值約為-4.80 mm，樁體水平位移隨基坑開挖深度的增大而增大，最大水平位移通常出現在開挖平面附近，隨基坑開挖深度的增大而逐漸下移；沿基坑夾角方向延伸。

圖5 樁體水平位移示意圖

3.1.2 樁體豎向位移

在基坑開挖及支護過程中，地下連續墻不斷發生向上的豎向位移，樁體水平位移示意圖如圖6 所示，最大豎向位移值約為4.57 mm；產生豎向位移的原因是由于基坑開挖降低了基坑底部的上覆荷載，導致坑底有向上隆起的趨勢，通過樁-土之間的摩擦作用[8]，帶動樁體發生向上的豎向位移。

圖6 樁體豎向位移示意圖

3.2 基坑開挖對地層的影響分析

3.2.1 基坑豎向變形

在基坑開挖及支護過程中，基坑內部土體有向上隆起趨勢，基坑底部豎向位移隨開挖深度的增大而逐漸增大，最大豎向位移值約為21.45 mm；豎直位移云圖如圖7 所示，基坑坑底最大豎向位移發生在基坑底部中間位置處，降起量向基坑兩側逐漸降低。基坑坑底的向上位移演化規律與樁體向上的豎向位移規律較為一致。

圖7 基坑豎向位移示意圖

3.2.2 基坑水平位移

基坑開挖將導致基坑兩側土體向坑內發生變形，由于支撐對于水平變形有明顯的約束作用[9]，導致應力重分布。在基坑開挖及支護過程中，基坑兩側土體有向上基坑內外側產生水平位移的趨勢，基坑水平位移示意圖如圖8 所示；基坑水平位移隨開挖深度的增大而逐漸增大，最大水平位移值約為13.51 mm，基坑水平位移演化規律與樁體水平位移規律基本一致。

圖8 基坑水平位移示意圖

3.2.3 地表位移

基坑周邊地表豎直位移云圖如圖9 所示，表明緊挨基坑的地表隨開挖進度總體呈現向上隆起的趨勢，最大隆起量為1.5 mm，這可能是因為樁體向上的豎向位移及樁頂向基坑外側的水平位移導致相鄰土體的向上變形。在距基坑較遠處，周邊地表隨基坑開挖深度的增大呈現向下沉降的趨勢，最大沉降量為0.38 mm，沉降量相較于坑底的隆起變形較小。

圖9 基坑周邊地表豎直位移云圖

4 結論

基于有限元分析軟件，考慮實際場地條件、開挖及支護過程等，對基坑開挖過程進行模擬，研究了基坑分層開挖-支護過程中樁體水平位移和地表豎向位移演化規律，得出以下主要結論。

1）在基坑開挖及支護過程中，樁體的水平位移隨基坑開挖深度的增大而增大，最大水平位移通常出現在開挖平面附近，隨基坑開挖深度的增大而逐漸下移。

2）基坑內部土體有向上隆起趨勢，基坑底部豎向位移隨開挖深度的增大而逐漸增大，基坑坑底最大豎向位移發生在基坑底部中間位置處，降起量向基坑兩側逐漸降低。

3）緊靠基坑的地表隨開挖進度總體呈現向上升起的趨勢，在距基坑較遠處，周邊地表隨基坑開挖深度的增大呈現向下沉降的趨勢，但沉降量相較于坑底的隆起變形較小。