主体结构环板作为水平支撑的地铁深基坑分析——以武汉地铁3号线王家墩中心站为例

刘召刚

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

主体结构环板作为水平支撑的地铁深基坑分析
——以武汉地铁3号线王家墩中心站为例

刘召刚

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

研究了大基坑采用主体结构环板作为水平支撑的支护方案。建立载荷-结构法三维有限元模型，对采用主体结构环板作为水平支撑的大基坑支护方案进行了计算，并将计算结果与监测数据进行对比分析。工程实践证明：对于大基坑采用主体结构环板作为水平支撑可提供较大的支护刚度，基坑施工安全、高效、环保。

武汉地铁；深基坑；有限元分析；主体结构环板；水平支撑

0 引言

明挖地铁车站深基坑宽度一般为22 m左右，支撑体系通常为钢筋混凝土支撑+钢支撑。钢支撑可提供较理想的支撑刚度，但基坑宽度若在50 m以上，常用的钢支撑无法提供足够的支撑刚度，一般采用多道钢筋混凝土对撑或桁架撑。对于面积较大的深基坑，采用多道钢筋混凝土支撑有以下问题：1)支撑达到设计强度后基坑才能继续开挖，工效低；2)支撑凿除产生大量建筑垃圾，不环保；3)临时结构费用较高，经济效益差。

若采用常规的盖挖逆作法，各层板留出土孔采用点式出土，出土效率低且开挖环境差，必要时还需设置通风照明设备来改善开挖环境。若采用一部分主体结构梁板作为基坑水平向支撑的环板支护体系，既能解决多道钢筋混凝土支撑带来的问题，又能克服常规盖挖逆作法开挖环境差、出土效率低等缺点。

环板支撑方案的研究重点在于环板的纵向跨度和横向宽度的合理取值。环板宽度小有利于基坑开挖，但水平向支撑刚度小，存在主体结构梁、板、柱产生过量变形而开裂的风险；环板宽度增大，水平向支撑刚度随之增大，但增加盖挖范围会影响开挖工效。

合理的环板支撑方案设计需对支护体系建立有限元模型，研究主体结构环板作为水平向支撑的整体刚度及变形。在深基坑支护结构三维有限元分析方面已有较多文献，有些是通过建立地层结构模型，选择理想塑性本构模型进行开挖过程数值模拟分析[1-3],有些是建立三维载荷结构模型对基坑支护结构进行整体分析[4-7]。这些方法多为传统盖挖逆作法支护体系，而对地铁深基坑采用主体结构环板作为水平向支撑方案的研究和工程实例较少。本文结合武汉地铁王家墩中心站基坑工程，对采用主体结构环板支撑的大基坑支护体系进行三维有限元计算，并与围护结构实测数据进行对比分析；结合实际工程，说明利用主体结构环板作为基坑支护结构的设计方案能使基坑开挖更加安全、高效、环保。

1 工程概况

1.1 工程环境

车站位于王家墩商务区，为3号线和7号线十字侧-岛换乘车站。车站地下共4层。地下1层和地下2层为138.8 m×158 m 的矩形基坑，地下1层中间为下沉式广场；地下3层为3号线(标准段宽32.9 m)与7号线(标准段宽52 m)十字交叉基坑；地下4层为7号线站台层(标准段宽52 m)，黄海路隧道位于7号线站台层两侧，与车站合建。地下1层采用放坡开挖；地下2层采用主体结构环板支撑的盆式开挖法，其支护方案是本文的研究对象；地下3层和地下4层采用盖挖逆作法施工。场地周边环境良好，无交通疏解及管线改移。

1.2 地质及水文环境

工程位于长江一级阶地，属长江堆积平原地貌单元，地层由全新统黏性土、砂性土及砂卵石层构成。土层依次为〈1-2〉层填土、〈3-1〉层黏土、〈3-2〉层黏土、〈3-3〉层淤泥质粉质黏土、〈3-4〉层粉质黏土夹粉土、〈3-5〉层粉质黏土夹粉砂、粉土及〈4-1〉层粉砂。

上层滞水主要赋存于〈1-2〉层中，其水量受大气降水和人工排水的影响，无统一自由水面。孔隙承压水主要赋存于〈4-1〉层粉砂中，与长江有水力联系。

〈3-3〉层和〈3-4〉层力学性能及自稳性很差，〈3-5〉层和〈4-1〉层粉砂为强透水层，其渗透稳定性差。坑底位于〈3-4〉和〈3-5〉层，连续墙嵌固8 m，墙底位于〈4-1〉层。地层物理力学参数见表1。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physico-mechanical parameters of soil layers

1.3 基坑支护方案设计

基坑在3号线方向宽度为138.8 m，在7号线方向宽度为158 m。地下1层采用放坡开挖，开挖深度4.5 m，地下2层采用环板支撑开挖，开挖深度6.8 m，连续墙厚0.6 m，嵌固深度为8 m。坡底施工平台超载取20 kPa。

地下2层基坑支撑考虑2种方案。

1)方案1采用3跨环板+钢筋混凝土桁架撑方案。基坑2个方向环板宽度均取3跨，3号线方向环板宽度约21 m，7号线方向环板宽度约23 m。工程地处长江一级阶地，软土层较厚，为防止环板侧向变形开裂，增加4个钢筋混凝土斜向桁架撑控制环板变形。方案1见图1(a)。

2)方案2基坑2个方向环板宽度均取4跨，取消钢筋混凝土桁架撑。3号线方向环板宽度约28 m，7号线方向环板宽度约30 m。通过增加环板宽度控制其水平向变形。方案2如图1(b)所示，剖面图如图1(c)所示。

环板厚度为300 mm。由于层高所限，设置1 000 mm×800 mm井字宽扁梁，混凝土等级为C40，钢筋等级为HRB400；主体结构柱采用直径为 600 mm、壁厚为14 mm的钢管混凝土柱，钢管采用Q345钢板卷制，混凝土等级为C60。

2 三维模型的建立

2.1 计算方法

地层结构模型和载荷结构模型是地下结构三维有限元计算的2种常用模型。前者可模拟地层与结构的相互作用，商业程序较多，但计算结果的可靠性往往较差。岩土本构模型及地层相关力学参数的选取对计算结果有非常大的影响。

三维载荷结构有限元模型将地层约束简化为土弹簧，计算原理与常用的竖向平面弹性地基梁法基本相同，但克服了竖向平面弹性地基梁法过于简化的缺点。对于宽大基坑的环板支撑体系，建立支护结构全三维载荷结构法有限元模型，能从整体上更好地把握环板结构的受力及变形特征。

2.2 计算模型及边界条件

结构板及连续墙采用的shell63单元为4节点弹性壳单元，具有弯曲和膜特性，能承受面内和法向荷载。梁及柱采用的beam188单元为3D线性有限应变梁单元，基于Timoshenko梁理论，包括剪切变形影响，适合分析细长至中等细长的梁结构。

选取的壳单元与梁单元均为线性单元，满足变形协调条件。模型不考虑梁的偏置，对环板水平向刚度的影响可忽略不计。壳单元与梁单元共用节点，无需建立2种单元联结的多点约束方程，且梁单元与壳单元的单刚矩阵可直接叠加。

地层土体约束采用Combin14弹簧单元模拟，单元刚度系数Kh根据岩土详勘报告提供的基床系数计算得到。

Kh=khbh。

式中：kh为地基土的水平向基床系数，kN/m3；b和h为基坑被动区地下连续墙shell单元水平向与竖向长度，m。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 1-1(2-2)剖面图

由于结构大部分处于较厚的软土地层，且工程规模大、施工时间长，所以按静止土压力荷载进行计算，黏性土采用水土合算，砂土采用水土分算。被动区施加弹簧单元模拟被动区土层约束，连续墙及钢管柱底端采用铰接约束，不考虑土体对钢管柱的水平向约束作用，尽量减小柱对支护体系水平向刚度的影响。由于结构基本对称，根据工程经验判断4个角点的位移接近于0，为防止模型产生刚体位移，对4个角点进行水平约束。方案1和方案2的有限元模型如图2所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

3 有限元计算结果

采用3跨环板+角部钢筋混凝土桁架撑方案，3号线方向环板及钢管混凝土柱的水平向变形最大值(连续墙顶部位移)为4 mm，7号线方向为8.2 mm(见图3(a))；桁架撑轴力标准值达到4 700 kN，2个方向环板跨中位置出现1 500 kN的拉力。采用4跨环板支撑方案，3号线方向环板水平向变形最大值(连续墙顶部位移)为2.3 mm，7号线方向为5.5 mm(见图3(b))。

计算结果表明：方案1控制变形的效果明显不如方案2；增加的4个斜向钢筋混凝土桁架撑，相对于138.8 m×158 m跨度的基坑，能提供的支撑刚度是有限的。

钢筋混凝土桁架撑跨度较大，总共需要增加24根中间临时立柱及立柱桩基础；4个象限的桁架撑对基坑出土栈桥的设置及开挖效率也有一定影响；桁架撑轴力较大，在结构板上会产生应力集中，节点的处理使问题复杂化。

方案2采用4跨环板作为水平向支撑，环板及钢管混凝土柱水平向变形非常小。4跨环板能提供足够的支撑刚度，而且取消桁架撑后能为大面积基坑提供宽阔的开挖环境。方案2较方案1可进一步节约造价约200万元，节约工期约2个月，能确保基坑施工更加安全、高效、环保。

(a) 方案1

(b) 方案2

4 基坑开挖方案

大基坑常采用分区开挖的方法，合理的开挖顺序是控制围护结构变形的关键。基坑平面为138.8 m×158 m，地下2层土方共计13.1万m2，开挖应充分考虑对称、减跨、平衡的原则，分2个阶段进行开挖。地下1层环板混凝土达到设计强度后，首先进行核心土开挖，然后进行盆边土开挖。为进一步控制环板变形，将环板下土方分成8个开挖区域，如图4所示。首先，开挖3号线方向(宽138.8 m)角部(1区和2区)土体，浇筑角部地下2层底板；然后，开挖短边跨中土体(3区)，迅速将1，2，3区底板封闭；接着，以同样的顺序开挖另一边环板下土体；最后，在3号线方向两侧底板封闭形成“对撑”后，开挖7号线方向(宽158 m)跨中土体(7区和8区)。合理的开挖顺序对环板可以起到减跨的作用，可进一步减小环板的水平向变形。

5 实施效果

连续墙顶部的水平向变形即为主体结构环板的水平向变形，尽管连续墙整体变形量与计算值有一定差异，但顶部变形量与计算值基本相当(见图5)。连续墙跨中计算值比实测值偏大可能有2方面原因：1)计算时偏保守地假定地下2层一次性开挖到底，而实际开挖时对盆边土进行分区分部开挖，对控制连续墙的变形更有利；2)土压力偏保守，采用的是静止土压力。

图4 环板下基坑开挖分区图

图5 实测曲线与计算曲线对比

从工程实施效果来看，采用三维载荷-结构法有限元模型对环板支撑方案进行分析预测效果较好。分析后进一步简化了支撑，直接采用4跨环板方案，环板及连续墙的实测变形值均在计算值范围内。超大基坑实现了安全、高效、环保的施工目标。

6 结论与讨论

建立三维载荷-结构有限元模型，对武汉地铁王家墩中心站大基坑采用环板支撑方案进行了计算，通过结构分析及工程实践，有以下认识：

1)三维载荷-结构法有限元模型与当前常用的竖向平面弹性地基梁法计算原理基本相同，模型简单明确。建立支护结构全三维有限元模型，能克服二维弹性地基梁法模型过于简化的缺点，尤其对于大基坑的环板支撑体系，能从整体上分析环板的支护刚度，把握环板结构的受力及变形特征。

2)对于面积较大的深基坑，采用主体结构环板作为水平支撑可以提供较大的支撑刚度。本工程地处长江一级阶地软土地层，地下2层138.8 m×158 m的大基坑没有使用一根临时支撑，但也安全、高效地完成了基坑开挖。

目前，地铁与物业相结合的大基坑越来越多，实践证明，大基坑采用主体结构环板作为水平支撑具有良好的社会效益。今后可进一步研究环板预留宽度、厚度、开孔形状等参数与环板内力分布及基坑变形的关系，使大基坑采用环板作为水平支护体系的设计与施工更加科学合理。

[1]邓子胜.深基坑空间效应分析方法研究与应用进展[J].岩土工程界,2005,8(2):29-30.

[2]陆新征,宋二祥,吉林,等.某特深基坑考虑支护结构与土体共同作用的三维有限元分析[J].岩土工程学报,2003(4):104-107.(LU Xinzheng,SONG Erxiang,JI Lin，et al.3-Dimensional FEA for the interaction between supporting structure of excavation and soil in a very deep pit[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2003(4):104-107.(in Chinese))

[3]张鸿儒，侯永峰.深基坑逆作开挖的三维效应数值分析[J].岩土工程学报，2006(S1):17-19.( ZHANG Hongru,HOU Yongfeng.Numerical analysis of 3D-effect of a deep excavation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006(S1):17-19.(in Chinese))

[4]芮瑞，夏元友.基于三维有限元的地下连续墙深基坑逆作法施工方案设计[J].岩土力学，2008，29(5):248-252.(RUI Rui,XIA Yuanyou.Construction scheme design for deep foundation pit constructed by “top-down” method based on 3D FEM[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(5):248-252.(in Chinese))

[5]徐营营，徐中华，王建华，等.采用逆作法的超大型深基坑三维有限元分析[J].地下空间与工程学报，2005(5)：143-146.(XU Yingying,XU Zhonghua,WANG Jianhua，et al.Three dimensional FEM analysis of a specially big & deep excavation using top-down method[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005(5):143-146.(in Chinese))

[6]沈建，王建华，高绍武.基于 “m” 法的深基坑支护结构三维分析方法 [J].地下空间与工程学报，2005(4):50-53.(SHEN Jian，WANG Jianhua，GAO Shaowu.3-D analysis method of retaining structure of deep excavation based on “M” method[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2005 (4):50-53.(in Chinese))

[7]王建华,范巍，王卫东，等.空间m法在深基坑支护结构分析中的应用[J].岩土工程学报，2006(S1):24-27.(WANG Jianhua,FAN Wei,WANG Weidong，et al.Application of 3D m-method in analysis of retaining structures of deep excavation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2006(S1):24-27.(in Chinese))

“北京大外环”最晚2016年通车

“北京大外环”高速公路，又称首都地区环线高速公路，含张涿高速、张承高速、承平高速、密涿高速和廊涿高速等，规划总里程约940 km，其中河北省境内约850 km。目前部分路段还存在“断头路”现象。而在北京境内包括密云至涿州高速北京段、承德至平谷高速北京段，只有近90 km。京津冀将交通一体化作为京津冀区域协同发展的先行领域，实现区域规划“一张图”，“北京大外环”高速公路最迟2016年全线贯通。

届时，河北省按顺时针方向将有京承、密涿、承平、京秦、京哈、京台、大广、京港澳、京昆、京新和京藏11条高速公路呈聚合状直达北京。京冀交通一体化进程全面提速，环首都经济圈加速形成。

据悉，北京大外环高速公路，河北省境内目前已建成通车廊坊至涿州段、京新高速河北段、张承高速张家口至崇礼段、承唐高速承德至兴隆段和张涿高速张家口段，共约335 km。建成公里数大约是北京大外环高速公路总里程的1/3。

“大外环”中途经北京境内的密涿高速已经启动前期建设，涉及大兴区、通州区、平谷区和密云县。

规划线位从大兴区南部与廊坊市交界处，向东北经京沪高速公路、京津高速公路，跨越北运河、潮白河后，线位进入河北省，穿过廊坊市北三县，从平谷区向北进入北京市界内，再向北至市界与河北段线位相接。

北京市规划部门表示，媒体报道中经常提到的“新七环”就是指规划建设中的“大外环”。

(摘自 中国土木工程学会 http://www.cces.net.cn/guild/sites/tmxh/read_zhxw_39402.html 2014-05-05)

AnalysisonComplicatedDeepMetroFoundationPitSupportedbyRingPlateSubstructuresCaseStudyonWangjiadunCenterStationonLine3ofWuhanMetro

LIU Zhaogang

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Ring plate substructures have been used as the bracing of the deep foundation pit of Wangjiadun Center Station on Line 3 of Wuhan Metro.In the paper,3D load structure model is established and analysis is made on the deep Metro foundation pit supported by ring plate substructures,and the measured data are compared with the simulation results.The engineering practice shows that the ring plate support system can provide high support rigidity and the construction of the deep foundation pit can be completed safely,efficiently and environment-friendly.

Wuhan Metro; deep foundation pit; finite element analysis; ring plate substructure; lateral bracing

2014-02-24;

2014-04-14

大型地铁车站盖挖逆作法关键技术研究(隧研合2012-11)

刘召刚(1980—)，男，陕西岐山人，2007年毕业于大连理工大学，港口、海岸及近海工程专业，硕士，工程师，从事岩土工程设计工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.05.006

U 45

A

1672-741X(2014)05-0423-05