金府站地铁深基坑降水支护应力渗流耦合演化机理

夏庆春

（庆阳市建筑业管理局，甘肃 庆阳 745000）

近年来，随着我国国民经济的迅速发展，国家大力推进城市公共交通建设，并在加快发展常规公共交通方式的基础上大力发展快速轨道交通方式。然而，在全国各大城市地铁建设掀起高潮的同时，也带来了不少的安全事故，造成了不必要的人员伤亡，其中一些是由于地铁建设过程中的工程地质问题所引起的。本文通过对成都地铁6号线车站深基坑工程变形控制系统研究，进一步认识了深基坑工程支护体系内力变化规律、变形规律及其影响因素、变形控制标准。针对成都地铁6号线中可能遇到的工程地质问题提出解决方案，从而对指导成都地铁6号线深基坑工程的工程实践具有十分重要的理论意义和应用价值。

1 工程概况

金府站中心里程为YDK24+066.187，设计起点里程为YDK23+925.187，设计终点里程为YDK24+236.487。主体标准段宽度为20.4m，车站全长195.2m。顶板平均覆土厚度约为5.3m，底板埋深约22.2m。车站主体站台、站厅层公共区为无柱拱形框架结构；主体站台、站厅层设备区为地下两层双跨（局部三跨）框架结构，采用半盖挖顺作法施工。本站共设3个出入口通道，2个消防疏散通道、2组风亭及1个无障碍电梯。车站主体采用半盖挖法施工，其中跨金府路路口为全盖施工。车站两端均接盾构区间，本站两端设置盾构井，小里程端、大里程端均为双线盾构接收井。小里程端靠金府下穿隧道侧，由于右线盾构扩大端宽度仅能满足盾构接收要求，无法设置盾构接收井，故车站小里程端右线盾构吊出需在左线盾构孔进行，盾构机需站内平移。基坑内支撑采用一道钢筋混凝土支撑+五道钢支撑；钢筋混凝土支撑标准水平间距6m，钢支撑标准水平间距3m，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，第一道支撑撑于混凝土冠梁上，钢支撑撑于钢围檩上，钢围檩采用双拼I45c，桩间土采用 Φ8@150mmx150mm钢筋网、150mm厚C20网喷混凝土封闭。

2 场地岩土特性

3 深基坑降水支护应力渗流耦合分析

3.1 边界条件

与常规的商业住宅建筑深基坑不同，地铁基坑具有纵向平面尺寸较大横向尺寸的典型特点，在分析计算时，属于典型的平面应变力学问题。依据圣维南力学边界条件，选用数值软件进行岩土工程分析时，模型截断边界是5倍开挖深度时，可以忽略模型边界对基坑开挖土体造成的影响。成都地铁6#线金府站深基坑，平面全长195.2m，规范段开挖宽幅24.5m，将围护桩按照刚度等效原则，等效为等厚度的地下围护墙，支撑采用一道混凝土支撑外加五道钢支撑。成都地区潜水水位补给充足，基坑开挖地，潜水水位位于地面-2.5m。最终基坑开挖模型如图1所示，其围护墙如图2所示，内支撑体系如图3所示。

图1 有限元实体单元模型（m）

图2 地下连续墙

图3 内支撑体系

3.1.2 本构模型

对于常规的基坑开挖分析，本文采用软件自带的各向同性修正的摩尔库伦土体本构模型，各层土体参数见表1。

表1 土层修正的摩尔库伦模型参数

3.3 模拟方法及荷载简化

对于基坑开挖过程中的降水方法的模拟，结合Midas GTS NX的降水力学机理，采用在指定的过水断面上将断面水流孔隙水压力给定为零孔压边界条件，开挖总共采用6次降水，每一次开挖，将坑内水位将至基坑开挖面1m以下，确保基坑开挖过程的安全，采用节点水头设置方法，将对应水面的节点压力水头设置为“0”，通过定义与时间相关的水头时间函数，完成基坑降水的整个过程分析。由于基坑临近道路且周边存在住宅小区，为了考虑基坑开挖过程中周边环境因素，在基坑两侧10m范围内施加15kPa的荷载，近似模拟基坑周边建构筑物的施工荷载。

3.4 分析工况

初始渗流场分析：采用瞬态分析方法，对基坑原始所处地层进行初始渗流场的分析；

初始地应力场分析：分析形成地层初始土层应力状态；

施做地下连续墙：仿真现场地下连续墙的实际施做过程；

工况一：开挖至地面以下-2.5m，施做第一道混凝土支撑及冠梁，降水至地面以下-3.5m；

工况二：开挖至地面以下-6.3m，施做第二道围檩及第二道钢支撑，降水至地面以下-7.3m；

工况三：开挖至地面以下-12.1m，施做第三道围檩及第三道钢支撑，降水至地面以下-13.1m；

工况四：开挖至地面以下-15.7m，施做第四道围檩及第四道钢支撑，降水至地面以下-16.7m；

工况五：开挖至地面以下-19.2m，施做第五道围檩及第五道钢支撑，降水至地面以下-20.2m；

工况六：开挖至基坑设计-22.2m，施做第六道围檩及第六道钢支撑，降水至地面以下-23.2m。

通过现场实际基坑工程数据，采用三维数值仿真软件Midas GTS NX，选取合理的土体参数本构模型，考虑深基坑开挖过程中降水支护应力渗流耦合分析，主要得出以下结论：

1）在基坑挖掘进程中，当基坑挖掘深度较浅时，由于未及时施做第一道混凝土支撑，地下连续墙的变形在基坑顶点位置最大，呈“悬臂”模式，随基坑开挖深度的逐步加大，基坑内外土压力差逐渐增长，基坑围护墙最大位移模式产生变化，由原来的悬臂模式逐渐转变为“弓形”且地下连续墙最大位移呈现在基坑挖掘面临近，进一步的体现出对于基坑纵向尺寸远大于基坑横向尺寸的地铁基坑，其基坑纵向与横向的最大位移主要取决于基坑纵横向的刚度。

2）在基坑挖掘进程中，支撑主要提供侧向刚度，保证基坑挖掘进程中，地下连续墙的稳定性，且在基坑挖掘进程中，支撑之间存在轴力的相互协调性，保障了基坑开挖处理过程的稳固性、安全性。

3）围檩的弯矩受力受支撑与围檩之间的链接方式不同而存在差异，对于混凝土支撑，标准段的Y向弯矩受力近似于简支梁的受力情况，而钢支撑标准段围檩几乎不受弯矩，Z方向的弯矩最大值产生在基坑端头部位。

4）地下连续墙后地表沉降的散布由“倒三角形”模式，随着基坑挖掘深度的逐步增大，逐渐转变为为“凹槽形”，最大竖向位移沉降位置位于地下围护墙（0.4～0.5）H0（H0为最终的开挖深度），且不随开挖深度而发生变化。

5）基坑底部土体隆起值随着基坑开挖深度的逐渐加大，最终造成中间大而两边小的基坑弹性隆起模式。

4 深基坑维护结构监测分析

4.1 监测项目

（1）桩顶水平和竖直位移监测；

（2）桩体水平位移监测；

（3）支撑轴力监测；

（4）地下水位监测；

（5）地下管线沉降监测；

（6）地面沉降监测。

4.2 监测周期

各监测点位的监测周期：围护结构顶面竖向位移，水平位移、深层水平位移监测、水位监测自基坑开挖开始至主体结构封顶后结束；周围地表沉降从围护结构施工开始到主体封顶且监测数据稳定后结束；支撑轴力监测从支撑施工完成开始至支撑拆除结束。

4.3 监测结论

通过分析金府站深基坑现场开挖监测数据，探讨在基坑开挖的各个过程坑外围护桩顶竖向及水平位移、围护桩深层水平位移、支撑轴力以及地面沉降的变化规律，主要得出以下结论：

1）在深基坑挖掘处理进程中，围护桩深层水平位移最大值随基坑挖掘深度的增长逐渐下移，最大值出现在挖掘面附近，围护桩深层水平位移变化形像表现为“大肚状”，说明在基坑挖掘过程中，其围护桩的侧向位移主要有赖于基坑纵横向地下围护桩的相对约束刚度。

2）支撑轴力体现为整体增大的态势，但是第一道混凝土支撑的轴力增大幅度明显小于钢支撑，这说明混凝土支撑自稳定强，刚度大，当到达基坑设计底标高时，各个支撑轴力趋于稳定状态。

3）在基坑长边方向，围护桩不同位置处墙后土体累计地面竖向变形存在空间上的分布，靠近基坑中间位置的测点累计地面竖向变形大于基坑井两侧测点，相比于基坑短边方向，其围护桩后土体累计地面竖向位移值较大，这也间接表明，考虑渗流应力耦合的砂卵石地质深基坑施工进程中围护桩变形存在中间大两边小的形态。

5 研究结论

本文依托成都地铁深基坑金府站现场实际工程，采用三维数值软件Midas GTS NX，考量基坑降水进程中渗流应力耦合，结合现场检测数据，获得了深基坑挖掘进程中，地下连续墙的变形演化机理，主要获得如下定论：

1）选用 Modified Mohr-Coulomb（修正莫尔-库伦）本构模型，分析研究基坑开挖过程中地下连续墙的变形演化机理可以精确的反映基坑开挖过程中，土体应力卸载引发的基坑临近土体变形的力学机理。

2）采用数值软件分析基坑挖掘过程中，当基坑挖掘深度较浅时，由于未及时施做支撑，地下连续墙的变形在基坑顶点位置最大，呈“悬臂”模式，随基坑开挖深度的逐步加大，基坑内外土压力差逐渐增长，基坑围护墙最大位移模式产生变化，由原来的悬臂模式逐渐转变为“弓形”且地下连续墙最大位移呈现在基坑挖掘面邻近，进一步的体现出对于基坑纵向尺寸远大于基坑横向尺寸的地铁基坑，其基坑纵向与横向的最大位移主要取决于基坑纵横向的刚度。

3）在基坑挖掘进程中，支撑主要提供侧向刚度，保证基坑挖掘进程中，地下连续墙的稳定性，且在基坑挖掘进程中，支撑之间存在轴力的相互协调性，保障基坑挖掘进程的安全稳定性。地下连续墙后地表沉降的分布模式由“倒三角形”，随着基坑挖掘深度的逐渐加大，逐渐转变为为“凹槽形”，最大竖向位移沉降位置位于地下围护墙 （0.4～0.5）H0（H0为最终开挖深度），且不随着开挖深度而产生变化。基坑底层土体隆起值随基坑开挖深度的逐步加大，最终造成中间大两边小的基坑弹性隆起模式。

4）通过分析现场实际检测数据，可以得到在深基坑挖掘进程中，围护桩深层水平位移的最大值随基坑挖掘深度增长而逐步下移，最大值呈现在挖掘面附近，围护桩深层水平位移变化形象展现为“大肚状”，说明在基坑挖掘进程中，其围护桩的侧向位移主要有赖于基坑纵横向地下围护桩的相对约束刚。