地铁基坑支护结构和地基的稳定性研究

沃云舟,曹广勇

(安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

在地铁基坑施工过程中，由于施工方法的不同，会对周围环境带来诸多不确定因素，国内外众多学者采用数值模拟、理论分析和物理模型试验进行了相关研究[1-5]。俞建霖、龚晓南[6]分析了深基坑工程的开挖尺寸对围护结构水平位移的影响;包惠明、刘文斌[7]指出桩锚支护方案能有效控制基坑变形，保持基坑稳定性;杨科、贾坚[8]通过室内试验对上海土体扰动机理进行研究，表明土体固结压缩是沉降的主要因素；李凌云[9]通过对某高铁站基坑的监测分析，研究了基坑开挖时边坡的土体位移规律；张慧、秦银刚[10]用数值模拟法验证了数值模拟在深基坑风险评估中的实用性;曲夏、刘新宇等[11]根据施工反演计算结果，预测后续施工阶段的支护结构变形。然而，目前对合肥市地铁车站基坑工程的研究较少。本文采用有限元软件Midas建立合肥轨道交通4号线石台路站基坑模型，并结合施工过程中的一些实测数据，分析了基坑围护结构地下连续墙和基坑周围土体的受力与变形规律，为早期设计和后期基坑开挖过程中保持基坑的稳定性以及为其他基坑工程中的类似施工管理和监测提供参考。

1 工程概况

某基坑位于祁门路与石台路交汇处，沿祁门路东西走向布置。石台路站是合肥轨道交通4号线第11站。沿屯门公路东西走向安排第1线车站。机场线沿祁门路的南北方向排列。车站主体总长202.1 m，总宽26.3 m，标准段总宽20.7 m，标准断面基础埋深16.7～19.2 m，车站主体为地下两层两跨岛式站台结构。平台的宽度为12 m，纵向标准柱跨度为9 m，上覆土体厚度为2.98～4.34 m。该站主体基坑深度为16.7～23.8 m，支护结构采用钻孔灌注桩+地下连续墙+内支撑系统。

2 数值模型的建立

2.1 模型的基本假定

(1)土体被认为是均匀、连续、各向同性的。

(2)模型中内支撑和围护结构的材料特性均匀，连续且各向同性，为理想的材料。

(3)不考虑土体固结和流变对土体的影响。所建模型中不考虑土体在实际施工中可能发生的降水和渗流影响。

(4)模型附近可能有较大荷载，计算时未予以考虑。不考虑周围荷载对基坑开挖的总体影响。

图1 计算模型图

2.2 计算模型参数

基坑的开挖会对其开挖深度的3～4倍区域产生影响，于是取模型尺寸为600 m×200 m×60 m，模型计算采用的网格单元为混合四面体单元。基坑的竖直边界限制其水平位移，基坑的底部边界限制其垂直位移。计算模型如图1所示。

土体本构关系采用修正莫尔库伦准则，该准则是在莫尔库伦准则基础上改进的本构关系，可以考虑土体的剪切硬化效应，能模拟非线性弹性性质。模型参数见表1、表2：

表1 模型材料参数

表2 模型土层参数

2.3 计算模型单元

(1)围护结构单元

计算模型中将围护桩转换成地下连续墙，转换公式为：

(1)

(1)式中：t为排桩之间的净距；D为灌注桩的直径；h为折算后地下连续墙厚度。

模型土体和包络结构都使用实体单元，采用混合网格生成器生成混合网格。通过挖掘方法形成地下连续墙，地下连续墙采用C35混凝土。

(2)支撑结构单元

基坑支护系统中，第一道支撑为混凝土支撑，第二、三、四、五、六道支撑为钢结构支撑。钢支撑全部由直径600 mm的钢管制成。该模型中支撑的内力和变形与梁单元类似，采用梁单元进行模拟。

模型施工工况如下：①初始边界条件，将所有土体位移清零，添加自重和边界约束；②围护墙施工；③开挖1，开挖至2.3 m处，施做第一道支撑；④开挖2，开挖至5.8 m处，施做第二道支撑；⑤开挖3，开挖至10.2 m处，施做第三道支撑；⑥开挖4，开挖至14.4 m处，施做第四道支撑；⑦开挖5，开挖至17.9 m处，施做第五道支撑；⑧开挖6，开挖至22.5 m处，施做底板。

3 数值模型结果分析

3.1 地下连续墙水平位移变化分析

地下连续墙水平位移的监测结果与数值模拟结果见图2。

由图2可知：随着开挖过程的进行，地下连续墙的水平位移逐步增大，其最大水平位移位于基坑开挖深度的9/20～13/20处；地下连续墙的变形呈现明显的凸形，且主要集中在墙体的中上部，顶部和底部嵌固端变形较小；数值模拟结果小于实际监测值，可能是由于实际工程中土体的不均匀性、基坑周边存在附加动力荷载和建筑物的静荷载。但其模拟数值的变化趋势和实际监测值基本吻合，最大水平位移的位置基本相同，说明了模拟的正确性，对本工程和以后类似工程具有一定的指导意义，可以提前采取措施，保证基坑开挖的稳定性。

图2 地下连续墙水平位移实际监测与数值模拟对比图

3.2 地下连续墙外侧周边土体沉降变化分析

地下连续墙外侧周边土体的沉降曲线见图3。

图3 基坑外侧土体沉降曲线

由图3可知：开挖1时地表沉降最大值为1.4 mm，最大地表沉降点位于基坑边缘2.51 m处，整个基坑外侧周边土体的沉降呈现先增大后减小的趋势，最后趋于稳定，形成了一个凹形的曲线，曲线1变化趋势较为平缓；开挖2时，地表沉降最大值变为2.25 mm，其最大沉降点距地下连续墙距离由开挖1的2.51 m增大为4.9 m；开挖3时，沉降最大值处距地下连续墙距离仍为4.9 m，与开挖2位置一致，其曲线变化速率与开挖2曲线基本一致；开挖4、5、6时曲线变化速率相似，开挖4沉降最大点偏移到距墙体5.5 m处，而开挖5、6时沉降最大点仍为距墙体5.5 m处，基本不再向右偏移，直到基坑开挖到坑底处。从整体上看，基坑开挖对基坑周边土体沉降影响的有效半径为32.5 m，地下连续墙外侧土体地面沉降值先增大后减小，在距离到达32.5 m后，地面沉降值基本不再变化。

3.3 地下连续墙厚度对水平位移的影响

在混凝土强度和配筋状况相同的情况下，地下连续墙的厚度会对其水平位移造成影响。地下连续墙厚度对其水平位移的影响如图4、图5所示。

图4 不同厚度地下连续墙水平位移图

图5 不同厚度地下连续墙水平位移平均值

由图4可知：地下连续墙厚度从0.2 m增加到0.8 m时，地下连续墙水平位移平均值从10.53 mm减少到3.75 mm，降低6.78 mm；地下连续墙厚度从1.0 m增加到1.6 m时，地下连续墙水平位移最大值从2.87 mm减少到1.62 mm，降低了1.25 mm。

从图5整体来看：随着地下连续墙厚度的增加，其水平位移逐渐减小，但减小的幅度逐步放缓；墙厚为0.2～0.8 m时，降幅较大，墙厚达1.2 m之后，降幅较小，其曲线趋于平稳，即当地下连续墙厚度达到1.2 m时，再增大地下连续墙厚度，对地下连续墙水平位移的影响有限。

4 结论

利用Midas数值模拟软件建立石台路站深基坑三维模型，根据实际工况进行数值模拟并将数值模拟结果和监测结果进行对此，得出如下主要结论:

(1)随着开挖过程的进行，地下连续墙的水平位移逐步增大，其最大水平位移约发生在基坑开挖深度的1/2处。墙体变形呈现明显的凸形，且主要集中在基坑的中上部，顶部和底部嵌固端变形较小。墙体的水平侧移呈现出“中间大，两头小”趋势，并向坑内凸出。

(2)基坑外侧周边的地表沉降呈现“凹”形，地表土体的最大沉降发生在距离墙体5.5 m处。施工时应禁止在此区域长时间堆载，并加强地表监测。

(3)地下连续墙的水平位移与其厚度有关，随着墙体厚度的逐步增大，其水平位移逐步减小，但是地下连续墙厚度达到1.2 m之后，再增加其厚度，其平均水平位移基本保持不变，出现边界效应。