西安地铁车站深基坑变形规律的有限差分法模拟*

任建喜 王 江 孟 昌 陈 江 朱元伟 王 松

(西安科技大学建筑与土木工程学院，710054，西安∥第一作者，教授)

地铁深基坑围护结构较一般基坑需要解决的问题多而复杂，尤其是在确保深基坑的安全稳定方面［1－3］。许多专家和学者对深基坑变形影响规律进行了研究，并且取得许多成果［4－7］。但对黄土地区地铁车站深基坑围护结构变形规律和周围环境稳定的研究成果还不多，研究深基坑变形规律及加强施工过程围护结构变形和周围环境变形的监测，对地铁车站深基坑安全施工意义重大［8－9］。尽管基坑监测方法和手段得到了很大提高，监测项目也更加完善，但是，监测单位大多只注重数据采集，而未能做到结合施工方案、水文地质等对监测数据进行深入分析［10］。本文以西安地铁大差市车站深基坑为工程背景，对黄土地区深基坑围护结构的变形规律进行分析研究，目的是为西安地区地铁车站建设中的深基坑围护结构设计提供参考，从而确保施工过程中深基坑的安全稳定。

1 工程概况及水文地质条件

1.1 工程概况

大差市车站深基坑属于西安地铁4号线特长、特大深基坑，地处市中心繁华地段，周围环境十分复杂。该车站为地铁4号线与6号线换乘车站，地铁4号线车站站台中心里程为YCK15+598.500，车站总长501.30 m，标准段宽22.70 m，高15.01 m，车站总建筑面积为27 822.94 m2。车站主体结构采用3跨2层结构，换乘节点处3跨3层，基坑开挖深度16～24 m。根据现场交通组织情况采用明挖顺作法施工，换乘节点处采用全铺盖顺作法施工。

拟建车站位于西安市东西与南北两条繁华商业大街的十字交叉处，呈南北走向布置。车站站址周围商业繁华、建筑密集，其中距车站较近处就有多座2～13层混凝土结构建筑物。

1.2 水文地质条件

场区地下水为第四系松散层孔隙潜水，地下水潜水位埋深7.0～8.8 m，水位年变幅2.0 m 左右。含水层主要为弱透水的黏性土夹砂层透镜体，潜水含水层厚度大于50 m。

地下水位的变化主要受降水、蒸发以及人工开采等因素的影响，一般每年7～9月为枯水期，地下水位最低，12月至次年2月为丰水期，地下水位最高。

2 深基坑围护结构变形现场监测方案

根据大差市车站深基坑工程的重要性、施工难易程度、围护结构强度以及周围邻近建筑物的变形控制要求等因素，确定该深基坑围护结构变形监测内容，主要包括围护桩水平位移、支撑轴力、基坑周围地面沉降。车站支撑平面布置与部分监测点位置详见图1。

图1 车站支撑平面布置与部分监测点位置图

3 深基坑开挖过程FLAC数值模拟

FLAC(有限差分法)数值计算软件基于有限差分法原理，主要适用岩土工程的力学分析。本文计算采用FLAC软件进行数值计算，研究深基坑开挖过程中围护结构变形规律。该车站深基坑属于特长、特大深基坑，由2个标准段和1个换乘段组成，其中靠近南段的标准段周围环境较复杂，有高楼存在。为了能够更好地研究深基坑内的围护结构变形规律以及建模方便，选取基坑南段的标准段作为研究对象。

3.1 模型建立

深基坑开挖过程中围护结构和基坑周围地表变形的影响范围取决于基坑形状、土方的开挖深度以及地质条件等因素。为了能够真实地模拟开挖过程，选取大差市地铁车站标准段南段基坑实际尺寸，开挖宽度为22.7 m，开挖深度为16.0 m。根据圣为南原理，影响区域应为开挖尺寸的3～5倍。因此，本节在进行数值计算时选取80 m×60 m×50 m(长×宽×高)的区域建立深基坑FLAC计算模型。进行网格划分后，模型产生245 032个单元，249 911个节点。计算模型见图2。考虑到深基坑边缘可能存在的施工堆载等因素，在距基坑坑壁10 m范围内施加均布超载q=20 kPa;模型表面为自由面，其余五面均设法向约束。

3.2 本构模型

土体的本构模型体现了土的应力应变特性，要研究基坑开挖对围护结构的扰动影响，就必须建立适当的本构关系，通过本构关系可以反映出基坑周围土体在土方开挖扰动下的变形特性，进而可以分析围护结构的变形特性。摩尔－库仑本构模型能够很好地反映土体在扰动作用下的应力应变特性，因此，本文计算采用摩尔－库仑本构模型。

图2 深基坑计算模型及单元划分

3.3 计算参数和计算工况

根据大差市地铁车站岩土工程勘察报告和工程地质剖面图，将深基坑所处位置的地层划分为7层，土层分布及其物理力学参数见表1。

结合大差市地铁车站深基坑的施工工序，将每一阶段土方开挖当做1个计算工况，则整个土方开挖过程可以分为4个计算工况。工况1计算前，首先要进行自重应力求解以及钻孔灌注桩施作计算。

(1)工况1:开挖至3 m，施做第一道钢筋混凝土支撑;

表1 各层土物理力学参数表

(2)工况2:开挖至7 m，施做第二道钢支撑;

(3)工况3:开挖至12 m，施做第三道钢支撑;

(4)工况4:基坑开挖直至设计标高16 m处，清槽。

3.4 土方开挖的模拟

深基坑土方开挖之前，土体的初始应力场只为重力场，运用FLAC软件进行土方开挖施工模拟时，一般多采用空单元法，通过改变单元刚度矩阵执行空单元法的开挖;在此基础上还要假定被挖单元的质量、荷载等效果也为零，以此来实现单元的开挖。运用空单元法模拟深基坑土方开挖时，在重力场作用下，得到的应力场即为开挖后土体的实际应力场。但是，开挖后的位移场则不同，减去初始位移场之后才是开挖后的土体实际位移场。

空模型代表从建立的模型中移去深基坑实际开挖断面的那部分单元，开挖过程就是土方开挖面周围土体的卸载过程，因而挖掉其内部的单元后，开挖区域的单元应力自动清零，即:

式中:

N——节点;

σij——点的应力状态(包含9个应力分量)。

3.5 支护结构的模拟

利用等效刚度原则，围护结构采用各向同性弹性模型的实体桩单元模拟钻孔灌注桩，在兼顾模拟精确度的前提下，尽量使模拟分析过程简化，桩径为1 000 mm。混凝土和钢支撑采用FLAC自带的实体Beam单元，临时立柱采用Beam单元，在端头构件处施加一对等大反向的力来模拟预应力，以便准确地模拟钢管内支撑的实际受力状态。

3.6 深基坑变形规律FLAC模拟计算结果分析

地铁车站深基坑采用明挖法施工时，基坑开挖面下部土层受开挖的影响很大，基坑周围土体在不同开挖阶段扰动下发生的水平位移如图3所示。

FLAC计算严格按照土方开挖及支护的施工工艺进行真实的施工模拟，能够比较真实地预测基坑开挖带来的基坑稳定问题。从图3可以看出，随着基坑开挖的深度不断增大，基坑水平位移逐渐增大，这是因为土方开挖卸载，打破了土体的初始应力状态，使得基坑附近的土体在主动土压力作用下向坑内发生位移。在内支撑作用下，前三种工况下基坑周围土体向坑内发生的水平位移量较小，介于3.51～4.95 mm，但是当基坑开挖至设计标高时，基坑水平位移增大到7.42 mm。工况3、工况4坑底与坑壁交界处附近的土体受到向坑内的水平位移，这是因为该区域的土体受到主动土压力较大，导致坑底土体出现向上隆起的趋势。在整个深基坑施工过程中，钢支撑对于限制基坑变形发挥了重要作用，使得基坑向坑内发生位移的速率逐渐变小。

图3 不同开挖阶段基坑水平位移图

从图4可以看出，随着基坑开挖的深度不断增大，基坑整体竖向位移逐渐增大，基坑底部出现明显的隆起，最大隆起量为15.32 mm，发生在坑底中心。

图4 基坑开挖完成后竖向位移云图

3.7 围护结构变形计算值与实测值对比分析

3.7.1 桩体水平位移

将数值计算得到的ZQS－7桩体水平位移与现场实测进行对比分析(见图5)。

从图5可知，各工况下桩身变形实测趋势与计算趋势基本吻合，数值计算得出围护桩8～12 m处水平位移最大，位于基坑中部到三分之二基坑深度，与现场实测结果基本保持一致。但数值计算过程中由于忽略渗流和时空效应对围护结构变形的影响，使得桩体水平位移的计算值与实测值存在一些偏差，均表现为数值模拟值小于实测值。

3.7.2 内支撑轴力

以断面1－1上第一道钢筋混凝土支撑ZL1－6为例，分析土方初始开挖到基坑基本稳定后支撑轴力的变化规律。实测结果与计算结果对比曲线见图6。

从图6可以看出，实测所得第一道钢筋混凝土支撑在前27天轴力波动小，变化比较稳定。在第28天时轴力发生突变性增长，由24.13 kN增加到31.2 kN，原因在于施加了第三道钢支撑，这与计算结果曲线的变化趋势相吻合。施做第三道钢支撑完成后，轴力值略有波动，在开挖至基坑底部时，轴力略有增加且逐渐趋于较稳定，表明内支撑对深基坑变形有明显的抑制作用。

3.7.3 深基坑周围地表沉降

在计算过程中，严格按照现场地表沉降监测点的布置方式进行监测，并将计算所得到的地表沉降监测数据进行整理分析，得出基坑开挖完成时周围地表竖向位移实测结果和计算结果对比曲线，见图7。

从图7可以看出，地表沉降曲线均呈“抛物线”，在地表沉降曲线变化趋势上，FLAC数值计算所得与现场实测所得基本吻合，沉降槽中心均发生在距坑壁8m处，基坑施工对距基坑20 m以外的地表影响很小。地表沉降计算值最大5.01 mm，较实测值小了32.6%，因为没有考虑渗流对周围地表沉降的影响。

图5 ZQT－7桩身水平位移计算值与实测值对比曲线

图6 钢筋混凝土支撑ZL1－6轴力计算值与实测值对比曲线

图7 基坑开挖完成时周围地表沉降计算值与实测值对比曲线

综合以上分析可知，FLAC数值计算得到的深基坑变形规律与现场实测得到的深基坑变形规律基本相吻合。FLAC数值计算能够进行深基坑施工前的预演，可对原有的围护结构设计方案进行评价和优化，从而确保施工过程中深基坑的安全稳定以及周围邻近建(构)筑物的安全使用。

4 结语

运用FLAC软件对大差市地铁车站深基坑开挖及支护的全过程进行了真实模拟，分析了西安黄土地区地铁车站深基坑变形规律，并通过现场实测验证，得出以下结论:

(1)桩身水平位移能够直接反映围护结构变形特性，内支撑对深基坑变形有明显的抑制作用，防止基坑向坑内发生过大变形。围护桩水平位移最大的地方发生在基坑中部到三分之二基坑深度处，基坑周边地表沉降槽中心距坑壁8 m。

(2)各个开挖工况下桩身水平位移、内支撑轴力以及基坑周围地表沉降变化规律的计算值和实测值变化趋势基本一致，表明本文提出的监测方案合理有效。同时，说明FLAC数值模拟可在基坑施工前对围护结构设计方案的合理性做出评价，并且为控制基坑变形和确定基坑稳定提供参考依据，具有指导意义。

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