临河偏压车站有限元模拟研究

吴珊　张照猛　柴艳飞

【摘要】偏压问题是地铁车站面临的施工困难之一，针对因高差引起的偏压车站，本文通过有限元模拟，提出采用在车站外侧增设临时围护结构，通过连梁与车站自身围护结构形成门字形框架结构，来抵抗车站偏压和不平衡压力，通过现场实施，效果较为明显。

【关键词】偏压；门字形框架；水平位移；有限元

一、前言

地铁车站平行于河流或湖泊建设，由于岸坡的存在（高差或荷载），施工过程中存在偏压问题，临河引起的偏压荷载对基坑是十分不利的，不仅会引起最大水平位移的增加，同时基坑存在向临河侧整体倾覆的趋势，降低基坑安全稳定性，施工风险很高，本文以学院东路站为例，进行系统研究。

二、工程概况

学院东路站位于和平大道与学院东路交叉口西侧，和平路与三八河之间绿化带内。于三道中河处站厅层断开为后期河道恢复留出空间，车站总建筑面积1.34万㎡。车站两层岛式车站，车站总长262.2m，总宽19.7m，共设3个出入口，2组风亭。车站主体采用明挖法施工，3号口过街段采用暗挖法施工，路侧段采用明挖法施工。

学院东路站基坑宽度约20.0m，标准段开挖深度约15.0m，基坑支护结构采用10001200钻孔灌注桩，插入土体深度19.0m。設置3道内支撑，第一道为800x800mm钢筋混凝土支撑，位于墙顶，水平间距9.0m；其余均采用φ609mm，厚度t=16mm的钢支撑，分别位于距墙顶6.4m、11.4m的位置，水平间距3.0m。

三、有限元模型的建立

1、计算模型和计算参数

基坑临河水距离为5m，开挖深度为15m，土体用体单元模拟（学院东路站土体上部为杂填土、粉质粘土，下部为徐州老粘土，其特点为韧性高、强度大，粘性高，结构密实，含钙质结核和铁锰多），钢支撑、钢筋混凝土作为杆件单元，由于刚度较大（钢支撑中建下设立柱），撑用梁单元模拟，地下连续墙（宽度6m，厚度0.8m，刚度较大）用板单元模拟，通过析取单元模拟支护结构与土体之间的接触行为，初始水位设置为地下2m位置，且每一开挖工况时重置水位（根据基坑实际土方开挖情况，基坑内水位保持在基底以下1-2m，以保持开挖面干燥），使基坑内水位保持在开挖面以下。

2、计算工况

本文中对称荷载模型和偏压荷载模型的车站基坑工况是相一致的，对称荷载模型进行阐述。根据施工工序，计算模型的开挖与支护模拟共分为4个步骤进行。模型模拟计算之前，首先考虑土体在自重应力下的初始应力平衡，然后分步进行开挖和支护。

四、计算结果

1、偏压对车站水平位移的影响

由于车站南北两侧地面标高相差较大，约为3m，根据图3.3得知，不考虑偏压影响车站的最大变形为2.99cm，满足一级基坑最大变形要求，即最大水平位移小于3cm，变形是可控的，施工过程加强监控监测，但是考虑偏压影响车站的最大位移增大至3.15cm，位移增大5.3%，不满足一级基坑最大变形要求，即最大水平位移大于3cm，设计方案需要采取措施，确保基坑整体稳定性和最大水平位移满足一级基坑要求。

开挖深度较小的基坑，可以不考虑临河产生的偏压荷载作用。但开挖深度较大的基坑，临河产生的偏压荷载对基坑有严重影响，由图3.4得知，变形与开挖深度呈非线性比例增加，必须引起重视，并采取相对应的措施。

根据数值模计算结果，本文采取的施工措施为：

（1）将原基坑设计方案10001200的桩变为厚度为800mm的地连墙，接头采用刚度较大的工字钢，地连墙接缝后面增加3根品字形高压旋喷桩，直径为800mm，咬合300mm。距离地连墙外侧7m，增加一排钻孔灌注桩，灌注桩上部设计冠梁，灌注桩冠梁与地连墙冠梁设连系梁，一方面整体增加车站围护结构的刚度，另一方面减少河水渗入基坑的风险。

（2）、将原来的河道边坡进行回填，并进行注浆处理，较少偏压的对车站的不利影响。

（3）、将原设计的“1道混凝土支撑+2道钢支撑”变为“1道混凝土支撑+3道钢支撑”，增强基坑的整体稳定性。

结论

偏压基坑，尤其是靠近河流的深基坑工程，在设计和施工缝过程中要引起足够的重视，设计方案要考虑基坑的水平位移和整体稳定性，采用在基坑外侧增加一排桩，并且通过连梁和车站自身围护结构冠梁连接，形成门字形框架，可以大幅度的减小基坑的变形和提升基坑的整体稳定性，施工过程中要加强变形监测。