基于数值计算方法的地铁车站深基坑施工变形规律研究

罗小刚，刘应军

（深圳市地铁集团有限公司,广东 深圳 518026）

随着国民经济的快速发展，地铁成为人们出行的重要交通方式。完整的地铁线路上会修建很多的车站，车站基坑的施工就显得尤为重要[1]。基坑开挖会对周围环境产生影响，造成周边地表土体沉降和围护结构的变形，从而会给基坑本身和周围环境带来不安全因素，因而要选用合适的围护结构[2]。鉴于此，施工过程中对基坑进行实时的测量和监测，内容有基坑周围地表沉降和围护结构的水平位移，通过监测数据实时掌握基坑施工过程中的状况，避免出现因施工过程中变形过大而导致的安全事故。首次将有限元法应用于基坑工程的是Duncan和Chang[3-4]，他们对土体本构关系采用双曲线非线性弹性模型进行研究，利用有限元数值方法对边坡开挖的性状做了模拟分析，并将模拟所得值与实测值进行对比。得出有限元法可以有效预测边坡开挖的结论。张浚厚[5]在2008年依托某实际隧道施工工程，利用数值模拟软件，通过将监测数据与数值模拟结果作对比，揭示了地铁隧道在施工开挖过程中所受力学机理。郑江[6]在2011年针对数值模拟的局限性，提出了采用非线性应力应变的模拟方法可以更贴合工程实际中所产生的变性规律，克服了施工过程中多种因素的影响。陈志远等[7]在2014年对基坑工程“拆撑”的稳定性进行监测和分析。

文章采用数值计算方法，模拟深圳地铁某地铁车站基坑开挖施工过程，研究了基坑周围地表沉降量和桩式围岩结构钻孔桩的水平位移量，为基坑工程提供一定的指导和借鉴。

1 数值计算分析方法

1.1 工程概况

深圳地铁某车站基坑呈东西向布量，为地下二层岛式站台车站，局部3～4层，为双柱三跨框架结构，车站总长172.8m，标准段宽度22.4m，标准段基坑宽度为22.4m，深度约为17.9m，顶板覆土约3.5m（局部位置深度22.6～29.3m，顶板覆土约2.5m）。共设2组风亭、3个出入口。

1.2 数值计算模型

本次基坑施工采用数值计算方法进行模拟，依据实际地质资料和实际工程施工，建立了三维计算模型。考虑到相关的尺寸效应和相应的基坑施工规范，基坑数值模型的几何尺寸一般取基坑开挖深度的3～5倍，模型的最终尺寸为长173m、宽120m、高90m。模型分为7层土，分别为杂填土、全风化粉砂岩、土状强风化粉砂岩、块状强风化粉砂岩、中风化粉砂岩、微风化粉砂岩、碎裂石。整体三维模型如图1所示。

图1 数值计算模型

在实际模拟工程中，由于松元厦车站为地下二层岛式站台车站，局部车站是3～4层，并且该车站基坑长度较狭长，对于基坑施工阶段的模拟较复杂。比较基坑1-1、2-2、3-3、4-4、5-5，1-1截面为4层车站，1-1是基坑最复杂的截面，因而选取1-1截面为标准段进行二维建模分析计算。1-1截面处是桩式围护结构φ1500mm钻孔桩和φ1500mm抗拔桩，除了模型上表面是自由约束外，其余五个面分别进行位移约束。施加自重为静力荷载。在不影响分析结果的前提下，对模型进行假设，具体假设如下：

（1）模型土体和支护结构材料为各向同性，土体本构模型采用修正摩尔-库伦类型，支护结构材料本构模型采用弹性类型。

（2）模型土层划分按照均质土考虑，并且计算过程中不考虑渗流作用。

（3）对于模型的属性，将各个土体定义为2D平面应变类型，地连墙、混凝土支撑、钢支撑，定义为1D梁类型。为了能使1D单元耦合该模型，采用的方法是先建立2D单元，然后再在2D单元上析取1D单元。

（4）在有限元分析软件模拟施工过程中不考虑实际施工的工序和时间效应等对于土体的力学影响。

1.3 力学参数

岩石物理力学设计参数和支护结构材料属性如表1、表2所示。

1.4 数值计算分析步骤

模拟计算基坑开挖和施作围护结构，施工工况模拟步骤如表3所示。

2 计算结果分析

2.1 坑底隆起变化

基坑施工坑底隆起位移结果图如图2所示。由图可知：（1）桩式围护结构钻孔桩施工后，岩石土层应力场重分布，钻孔桩周围的岩石土层会出现应力集中现象，两钻孔桩间的岩石土体发生的沉降要比同深度的要大，此时基坑底部最大竖向沉降量为6.65mm；（2）开挖第一层土体，深度为4.3m，施加混凝土支撑，此时基坑底部最大沉降量为4.89mm，在坑底两侧，而在坑底中心沉降量最小，为0.73mm，所以基坑坑底呈隆起状；（3）开挖第二层土体，深度4.7m，施加混凝土支撑，此时地表最大沉降量在坑底两侧，为3.2mm，坑底中心出现隆起，隆起量为6.55mm，坑底呈隆起状；（4）开挖第三层土体，深度5.9m，施加钢支撑，此时地表最大沉降量出现在坑底两侧，为1.57mm，坑底中心出现隆起，隆起量为11.36mm，坑底呈隆起状；（5）开挖第四层土体，深度6.1m，施加混凝土支撑，此时地表最大沉降量出现在坑底两侧，为4.44mm，坑底中心出现隆起，隆起量为16.58mm，坑底呈隆起状；（6）开挖第五层土体，深度6.1m，施加混凝土支撑，此时坑底都是隆起，最大隆起量出现在坑底中心，为24.72mm，坑底呈隆起状；（7）开挖第六层土体，深度4.0m，此时地表最大沉降量出现在坑底两侧，为6.34mm，坑底中心出现隆起，隆起量为32.51mm，坑底呈隆起状；（8）抗拔桩施工，地表最大沉降量出现在坑底两侧，为6.66mm，坑底中心出现隆起，隆起量为31.16mm，坑底呈隆起状。

表1 岩石物理力学设计参数

表2 支护结构材料属性

表3 基坑开挖步骤

2.2 桩式围护结构钻孔桩的弯矩

图2 基坑坑底竖向位移曲线图

基坑开挖过程在不同开挖深度下的围护结构弯矩图如图3所示。由图3可知：（1）随着开挖层数的增加，钻孔桩最大弯矩值最大值分别为19.95kN·m、220.51kN·m、1453.21kN·m、1448.30kN·m、1505.14kN·m、1939.24kN·m、2034.22kN·m，增加的速率为1005.3%、559.0%、-0.3%、3.9%、28.8%、4.8%；在桩式围护结构钻孔桩施工后，最大弯矩出现在基坑深度24m，当开挖第一层到第三层过程中，最大弯矩位置随深度的增加而向下移，当开挖到第三层后，最大弯矩位置就不变了。（2）基坑在开挖第一、二、四、五层后都施加混凝土支撑，在开挖第三层后施加钢支撑，并在钢支撑两边施加预加力1500kN，在开挖第六层后没有施加支撑。

3 结束语

依托深圳市地铁某地铁车站基坑工程，采用数值计算分析方法，模拟计算地表沉降量和桩式围护结构钻孔桩的水平位移，可以得出以下结论：

（1）随着基坑的开挖，基坑底部隆起值差距逐渐扩大，基坑底部呈现出“包”状凸起，最大值集中在基坑中线位置。

（2）当进行到基坑开挖施工步骤的抗拔桩的施工后，坑底隆起差值比上一步缩小2.72%，说明抗拔桩的施工能缓解基坑底部隆起值差值扩大。

（3）在基坑开挖过程中，施作混凝土支撑会加速围护结构最大弯矩值的增加，但是施作钢结构支撑并在两边施加预应力能够有效地降低最大弯矩值，并且使最大弯矩的位置一直保持在钢支撑附近。

图3 钻孔桩弯矩图