地铁车站深基坑开挖及支护理论

邢献军

摘要：地铁车站深基坑支护情况比较复杂，受到的影响因素较多，利用计算分析的结果以及变形机理，能够预判施工中可能出现的各种引起事故的因素，利用土压力公式能够最大限度的保证计算结果的准确性。本文从地铁车站深基坑支护土压力计算、深基坑支护结构的内力分析、深基坑支护变形机理、深基坑支护结构与土体共同变形原理、深基坑支护结构内力与变形的影响因素五个方面进行了分析。

关键词：深基坑 支护结构

地铁车站深基坑开挖属于大规模利用地下空间开发范围，地铁车站深基坑大多都在繁华的城市中心地段开挖。在地铁车站深基坑开挖中，由于存在大量的市政管线分布以及道路荷载，如果不加以重视就有可能出现严重的施工事故，所以在施工设计中就要严格的保证施工的强度和稳定性。通过对地铁车站深基坑施工过程中支护内力与变形规律分析，利用计算分析的结果，能够预判施工中可能出现的各种引起事故的因素，从而对基坑设计和施工具有指导作用。

1深基坑支护中的土压力计算

1.1经典土压力理论在基坑支护中的运用

经典的朗肯土压力理论和库仑土压力理论已经广泛地应用于支护结构的土压力计算中。由于土性的复杂、施工方法不同、支撑结构刚度存在差异导致作用于支护结构上的土压力会发生很大的变化。朗肯土压力理论和库仑土压力理论计算方法已经被工程中作为基本的计算方法。

(1) 朗肯土压力

朗肯土压力主要是支护结构的土体处于极限状态，是从土中的极限平衡力出发。求出作用在土中的光滑竖直面上的土压力强度和土压力分布，然后再计算作用墙背上总压力。

朗肯土压力在计算过程中忽略墙背与土体的摩擦以及土体之间的剪切力作用。但是对于大多数的挡土墙来说，朗肯主动土压力偏大被动土压力偏小。

(2) 库仑土压力

库仑土压力是在墙后的土楔体整体处于极限状态下求出的总土压力。

库仑土压力是将墙后的填土理想化，不将粘性土的粘聚力放进考虑范围内，所以此理论实际只适用无粘性土。而在实际的工程中，经常遇到粘性土，所以在被动状态的土压力偏大并与理想假定的平面滑裂情况差异较大。

1.2支护结构与土体之间摩阻力影响

支护结构的表面往往都是不完全光滑，相对粗糙，因此与土体之间必然会形成摩擦力。在挖掘的时候，应将摩阻力考虑进去。在计算柔性支护结构墙前需要考虑支护结构与土体之间的摩阻力。将朗肯土压力和库仑土压力有机的结合在一起。土压力的计算应采用朗肯土压力公式，但土压力的系数应采用库仑土压力的公式。

2深基坑支护结构的内力分析

2.1深基坑支护结构的内力计算

深基坑支护结构的内力计算主要有三类：

(1) 传统常规设计方法。选取一定桩体入土深度，利用经典土力学理论计算作用于桩上的主动与被动土压力，根据计算内力的结果，分析支护结构的稳定性，这种方法是设计中主要的应用方法。

(2) 弹性抗力法。由于对支护桩墙有严格的位移控制要求，所以坑内很难达到完全的被动状态，我们就把这种状态仍然看作弹性抗力阶段，可按弹性抗力来设计支护结构的内力和变形。

(3) 有限元分析法。这是一种将多种复杂因素综合考虑的设计方法。采用非弹性土体本构模型来解决支护结构上的土压力问题。但是其实用难度较大，多数情况仍作为辅助设计方法。

2.2内支撑内力计算

按照不同情况支撑构件的内力和变形分为以下计算方法：

(1) 对于形状比较规则的基坑，可采用相互正交的支撑体系

1) 支撑轴向力可以按照支撑中心距与围护结构沿长度方向分布的水平反力乘积来进行计算。当支撑与围檩斜交时，应该考虑水平力在围檩长度方向产生的轴向力的作用，其水平反力应该取支撑长度方向的投影。

2) 在有垂直荷载作用的条件下，支撑的变形与内力可看似单跨梁或者多跨梁来分析计算，当混凝土围檩在水平作用下，变形和内力应按照多跨梁计算分析，钢围檩的变形和内力应该按照简支梁进行计算，其中计算跨度应该用相邻立柱的中心距。

3) 立柱的轴向力应该取横向支撑的支座反力之和。

(2) 对于非常复杂的支撑体系来说，应该采用空间杆系模型来计算

我们将支撑结构可以看作一个平面的框架，将其从支护结构体系中分割出来，在分割处应加上相应的围护结构的内力，以及作用在支撑上的其他荷载，利用空间杆系模型进行分析。为了计算方便，我们将加在分割处的内力只考虑由围护结构静力计算确定沿围檩长度方向正交分布的水平力。计算模型的边界条件应有以下原则：

1) 在围檩与水平支撑交点处，以及围檩的转角处分别设置竖向铰支座。

2) 基坑四周与围檩长度方向正交的水平荷载在不均匀分布的情况下，应防止模型整体平移或者转动的水平约束。

随着数值分析技术不断发展，有限元分析法正在逐步的运用到基坑设计的各个领域。在不断地发展过程中，设计理论与设计计算方法也在不断发展与完善。在复杂的地质结构与土体变形场的耦合作用以及基坑开挖的时空效应影响下，基坑开挖过程中的支护结构位移与内力变化在传统解析方法下难以掌握。随着基坑开挖的不断发展，对引起周围建筑物与地下管线的影响日益突出，更多的环境因素决定的地层变形在未来的重要工程中起着主导作用。

3地铁车站深基坑支护变形机理

地铁车站深基坑开挖过程是一个不断卸掉载荷的过程，坑内的土体不断被挖出，使其自重应力不断地被释放，导致基坑变形。基坑变形分为：基坑底部土体隆起、地表沉降、墙体侧移。

(1) 基坑底部隆起

基坑开挖引起自重应力导致基坑坑底向上回弹，支护结构对土体进行挤压，导致基坑隆起，改变了原始土体的应力状态。在开挖基坑的初期。由于开挖深度不是很大，坑底土体在卸荷后发生垂直隆起，围护墙也被抬高，中间隆起高度要大于两侧，但是不是影响围护墙体的侧向变形。随着开挖深度不断加大，基坑坑底就会产生塑性隆起。基坑周围也会形成塑性区，同时伴随着沉降。两侧的隆起高度逐渐超过中间的。

(2) 地表沉降

随着开挖深度不断加大，基坑周围的土体塑性区也不断扩大，土体不断向基坑坑底移动，导致围护墙体后产生地层沉降。地表沉降发生在墙体入土深度不大的软弱层时，强抵触具有较大的水平位移和地表沉降。地表沉降发生在墙体入土深度较大的刚性层时，墙体的变位与梁的变形相似。

(3) 墙体侧移

墙体发生水平侧移是由基坑隆起引起墙体两侧产生压力差导致。围护结构墙体的变形从水平方向影响基坑外围土体的应力状态，从而使地层移动。周围地层移动的原因是由墙体变形造成的。墙体外侧发生地层损失的同时地表也在沉降，并且周围塑性区不断扩张，从而加快了墙外土体向坑内移动和坑内土体的隆起。基坑开挖初期，还没有设置支撑的时候，墙顶位移表现最大，向基坑的水平方向位移，随着开挖深度的加大，其刚性墙体依旧向水平方向位移，但是柔性墙体的位移就不断地向基坑外部移动。

4地铁车站深基坑支护结构与土体共同变形原理

共同变形是墙体在一定的土压力作用下变形，这种变形同时反作用于土压力的分布。

(1) 在计算的初始状态下，假定墙体完全没有变位，土压力应按照静止土压力考虑。

(2) 假设墙体、地基及水平支撑为弹性体。

(3) 假设水平支撑只承受压力，而不承受拉力。

(4) 墙上不同的深度处的水平基床系数 、墙体刚度 及水平支撑的弹簧系数 ，根据地下连续墙和地基的情况分别采取不同的数值。

(5) 不考虑因墙体的水平变位而产生的地基在垂直方向的拱作用影响。

对使用横轴支撑的挡土墙，如果在墙体产生位移之后再去进行设置横轴支撑，那么作用在墙体上的土压力将会小于静止土压力，如果墙体产生较大的位移，那么我们要将其减小到主动土压力。如果横轴支撑施加初始轴向力，则作用在墙体上的压力会大于设置横撑前的土压力，其增加值取决于施加初始轴向力的大小，极限情况与被动土压力相等。通过调整横轴支撑预加轴力来减小墙体的位移。地下连续墙通常运用二维有限单元法，这种方法不用先假定土压力，能够直接的反映土体与结构的共同作用。地层特性、分布开挖及支护结构都是影响二维有限单元法在基坑开挖中的因素。

5地铁车站深基坑支护结构内力与变形的影响因素

深基坑支护结构内力与变形的影响因素分为：深基坑工程条件、支护墙体的刚度、施工开挖过程。

(1) 深基坑工程条件

深基坑工程地质条件包括环境条件，气候条件，水文条件，工程地质。其中工程地质和水文条件最为重要，是基坑支护方法和开挖方法以及降水方法的基本依据。地下水能够造出渗流和管涌能够影响土体变形。所以要做好降低水位，可有效的防止管涌，减少沉降。基坑的宽度以及开挖的深度都直接影响基坑的变形。地基土上的各种物理指标也是重要因素。

(2) 支护墙体的刚度

增加墙体的厚度可以有效的使支护墙体的水平位移减小，同时使主动土压力增加，这个时候被动土压力主要承担墙体内侧的土压力，厚度增加同时伴随着刚度的增加，墙体底部的水平位移也逐渐增大。墙体厚度不断增大后，其表现为支护墙体的弯矩不断增大，降低地表沉降的作用也不断减小。在满足墙体强度的情况下，要尽可能的运用各种方法来减小墙体水平位移和地表沉静。

(3) 施工开挖过程

施工组织重要组成部分是基坑分布开挖深度和支撑顺序。施工过程是影响基坑变形的重要因素。施工时应严格按照施工设计进行开挖，要及时地施加预应力和安装支撑。■

参考文献

[1] 刘建航，候学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997，1~33

[2] 张尚根，赵佩胜.基坑开挖过程中支护结构内力及变形分析[J].工业建筑，2000，30（3）：17-20

[3] 徐奴文.地铁车站深基坑开挖与支护有限元数值模拟[D].天津：大连理工大学，2008