地下连续墙支护结构的深基坑开挖过程分析

曹文峰，张俊腾，张李平

（1.福建农业职业技术学院 园艺园林学院，福建 福州 350119；2.福建林业职业技术学院 建筑工程系，福建 南平 353000）

0 引言

自世界上第一条地铁在英国伦敦诞生以来，地铁作为一种大运量、长距离、环保低碳、高效便捷的运输工具在城镇内部大量出现。与世界发达国家相比，我国地铁建设虽然起步较晚，但随着城镇化的快速推进，我国地铁迎来建设高潮。截至 2018 年 12 月底，我国已有 32 个城市开通地铁，运营总里程已达 5 066.76 km，车站 3 202 座，通车总里程居世界第一位。在地铁的建设过程中，区间一般采用盾构方式，但车站建设一般采用开挖基坑的方式建设。由于受道路、管线和建筑物密集的限制，一般均采用有支护形式开挖。在开挖的过程中，各种荷载叠加，工况复杂，因此地铁车站深基坑开挖施工过程的安全性成为施工中必须面对和解决的重要问题［1］。

从地铁车站基坑支护形式来看，主要有混凝土地下连续墙、混凝土围护桩、土钉墙、SMW 工法桩、钻孔灌注桩等形式。其中混凝土地下连续墙整体刚度大、防渗效果好、安全系数高、可兼做主体结构等特点，是地铁车站建设过程中常用的一种支护形式。

地铁车站基坑开挖将会导致基坑周边土体位移和应力的改变，且这种改变在软土地区变化更为明显［2-4］，因此在基坑开挖前，需对基坑内土体分层开挖，并对基坑各工况下稳定性进行设计验算［5-7］。本文以某地铁车站基坑开挖为例，利用 PLAXIS2D 有限元软件，对该基坑工程进行数值模拟分析，论证各开挖工况下基坑的安全情况。

1 PLAXIS 软件

1.1 软件简介

1987 年，荷兰 Technische Universiteit Delft 开发设计了 PLAXIS 软件，目的是为了解决荷兰国内的软土地基开挖稳定性工程问题。目前该软件广泛应用于世界范围内的路堤工程、基础工程和基坑工程领域，在国内各设计、施工等单位也得到广泛应用。

1.2 本构模型

PLAXIS 软件提供了 2 种常用的土体分析本构模型，分别是 MOHR-COULOMB 模型（理想塑性）和HARDENING-SOIL 模型（各向同性 HARDENING）。本文采用 MOHR-COULOMB 模型进行计算。

2 工程概况

某地铁车站总长度 386.7 m，站台标准段宽 20.2 m，底板埋深约为 15.46 m。基坑围护结构采用地下连续墙+内撑形式。地下连续墙厚度 800 mm，采用 C30 钢筋混凝土。坑内共设置 3 道内撑，从上到下第 1 道为钢筋混凝土（C 30）支撑，截面尺寸为 0.8 m×0.9 m，水平间距 6 m；第 2、3 道为钢管支撑，尺寸为φ=609 mm，t=16 mm，水平间距 3 m，分别位于地下 1.5、5.5、10.5 m。根据 GB 50007－2011《建筑地基基础设计规范》规定，本基坑安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数取 1.1；支护结构最大允许水平位移≤0.25 % H（H 为基层开挖深度）且≤0.03 m；地面最大允许沉降≤0.15 % H 且≤0.03 m。混凝土内支撑和钢管内支撑主要计算参数如表 1～2 所示。

3 工程地质条件

根据工程地质勘察报告及有关设计资料，车站基坑内各地层岩性特征如下：第①层为素填土，平均层厚3.2 m，主要由黏性土回填形成，中夹杂少量中砂和碎石；第②层为中硬黏性土，平均层厚 3.4 m，中密，压缩性低；第③层为砂性土，平均层厚 3.6 m，含黏粒，夹杂少量有机质；第④层为中密卵石，平均层厚 2.8 m，分选性好，局部夹杂黏土；第⑤层为中风化花岗岩，未揭穿，有少量风化裂隙。各土层主要物理力学参数如表 3 所示。

表1 混凝土内支撑主要计算参数

表2 钢管内支撑主要计算参数

表3 基坑各土层主要物理力学参数

4 模型构建

因该车站基坑为狭长型，为简化计算，取最不利断面进行分析计算。因本基坑长度相对于宽度较大，最不利断面为横断面，故本基坑可简化为平面应变问题，可只取基坑宽度 1/2 进行计算。为更好地模拟荷载分布情况，本工程计算宽度取 40 m。一般而言，深基坑开挖过程中，荷载在一倍于开挖深度内有较大的影响，故本工程模型计算深度取 50 m。由此建立宽度为 40 m、深度为50 m 的计算模型。地面荷载按 25 kN/m 等效设置，布置在基坑边缘 5 m 处。

4.1 计算模型

本工程网格疏密程度为中等，采用 15 节点单元模拟土体，间距为 1 m，格栅间分隔数为 1，重力加速度取 9.8 m/s2。为提高地下连续墙附近变形情况模拟的精确性，在地下连续墙附近对网格线加密，共划分单元数177，节点数 1 555，应力点数 2 100，网格数为 2 684 个。钢筋混凝土地下连续墙用板单元进行模拟，钢筋混凝土內撑和钢管內撑均采用点对点锚杆单元进行模拟。根据本工程实际情况，设定各边界位移条件，其中基坑模型的左、右边界水平方向位移为零；竖直方向允许发生变形；下边界任意方向的变形为零。计算模型如图 1 所示。

图1 计算模型图

4.2 计算工况

根据经批准的专项施工方案，将本车站基坑开挖划分为如下 8 个施工加载工况：工况①施工钢筋混凝土地下连续墙，施加地面荷载；工况②开挖第一层土体至第一道內撑下 0.5 m；工况③施作第一道钢筋混凝土內撑；工况④待第一道钢筋混凝土支撑达到设计要求强度后，开挖第二层土体至第二道內撑下 0.5 m 处；工况⑤施作第二道內撑；工况⑥开挖第三层土体至第三道內撑下 0.5 m 处；工况⑦施作第三道內撑；工况⑧开挖至设计标高。对工况①～⑧进行数值模拟计算，得出各施工工序下坑底、地下连续墙变形和內撑轴力及地下连续墙剪力、弯矩变化情况和坑外土体变形情况。

5 各工况数值模拟情况

5.1 地下连续墙水平变形情况

经分析计算可知，地下连续墙水平位移随着开挖深度的增加而变大。由于坑内土体开挖导致基坑外土体产生向基坑内的土压力，且由于第 1 道支撑在墙顶以下1.5 m 处，此时地下连续墙相当于悬臂梁状态，因此地下连续墙水平位移最大值出现在墙顶位置。在工序 2 状态下，基坑第一层土体已经开挖，此时地下连续墙最大水平位移为 3.03 mm；工序 3 状态下，施加第一道内支撑，地下连续墙最大水平位移为 3.38 mm，水平位移有增大的趋势，主要是由于第一道內撑为钢筋混凝土內撑，施工完毕后达到设计强度需要一定时间，此时地下连续墙仍属于无内撑状态，在坑外土体压力下，向坑内水平位移进一步增大。随着开挖工序的进行，坑内土体不断被挖除，地下连续墙下部水平位移也不断增大。在第 2、3 道横撑处，由于横撑的支撑作用，地下连续墙水平位移受到一定约束。工序 2～8 地下连续墙水平位移情况如图 2 所示。

5.2 坑内土体回弹情况

图2 工序 2～8 地下连续墙水平位移情况

在基坑施工前，坑内外土体处于应力平衡状态。随着基坑的开挖，这种原有的应力平衡状态被打破，变形随之发生。随着基坑开挖的进行，坑内土体不断处于卸载状态，坑底土体有回弹和涌起现象发生。在工序 2 状态下，第一层土体已经被开挖，此时坑底土体有回弹现象，变形为 2.8 mm。在工序 4 状态下，此时底 2 层土体已经开挖且第 2 道內撑尚未施加，此时坑底土体有明显的回弹现象，变形为 4.79 mm，且越接近基坑中心位置，位移越大（见图 3）。在工序 8（见图 4）状态下，基坑土体进一步卸载，坑内土体最大位移量已接近 10.92 mm，且最大变形量仍出现在基坑中心位置。

图3 工序 4 状态下基坑垂直变形情况

图4 工序 8 状态下基坑垂直变形情况

5.3 基坑外土体变形情况

由于考虑到地面荷载按 25 kN/m 布置，因此经过计算发现在地面荷载处出现沉降沟现象。在工况1～3，地面最大沉降均出现在荷载布置处，最大沉降为5.21 mm。随着开挖工作的进行，地面荷载处位移虽继续增大，但速率明显放缓。从计算情况来看，坑外一定范围内的土体均有位移现象发生。从横向来看，在工序 1 情况下，在基坑外侧 30 m 处仍监测到位移现象发生，且随着开挖的进行，坑外土体的位移影响范围逐渐缩小，到了工序 8 情况下，最大影响范围为基坑外20 m 左右。从纵向来看，随着基坑开挖深度的增加，坑内土体位移影响范围随之增大。在工序 2 情况下，坑内土体位移约延伸到地面以下 35 m 处；在工序 8 情况下，在地面以下 45 m 处仍有位移现象发生。

5.4 地下连续墙内力情况

在工序 2 状态下，地下连续墙处于悬臂状态，承受负弯矩，最大弯矩值为 79.75 kN·m，出现在第一道横撑处。随着开挖的进行，弯矩极值随之下探，且最大弯矩值不断增大。在工序 6 状态下，最大弯矩值为 100.73 kN·m，出现在深度约 13 m 处；在工序8状态下，最大弯矩值为 156.01 kN·m，出现在深度约 16 m 处，且在 3 道支撑处，弯矩明显有反转现象发生，工序 2、4、6、8 地下连续墙弯矩图如图 5 所示。从剪力情况来看，随着开挖深度的增加，坑外土体向坑内的挤入效应更加明显，墙内剪力也随之增大，在三道內撑处均出现剪力极值现象，且由于內撑的支撑作用，剪力出现正负突变。

图5 工序 2 、4、6 、8 地下连续墙弯矩图

6 结论

由于地质情况复杂，危险性大，因此深基坑工程是跨多学科的系统工程［8］，且风险贯穿勘察、设计、施工、监测等各个环节，坑外不当堆载、降雨、开挖、扰动等各种不利因素都可能对其造成安全影响［9］，因此在基坑施工前，通过有限元分析软件对基坑的变形和支护结构的内力及变形情况进行模拟计算是很有必要的。

1）该地铁车站基坑工程采用地下连续墙 +1 道钢筋混凝土內撑 +2 道钢管內撑作为围护结构体系，整体刚度较大、稳定性较好，满足施工要求。地下连续墙水平位移和竖直位移均小于 30 mm，最大侧向位移为基坑开挖深度的 0.022 %，小于报警值。地下连续墙侧向变形形态为内弧形，且最大位移出现在墙顶位置。受 3 道内支撑的作用，其变形在横撑处有缩减现象发生。

2）随着坑内土体的不断卸载，坑内土体应力平衡状态被打破，坑内土体有明显的回弹现象，且越靠近基坑中心位置回弹现象越明显。因此开挖到设计标高处时，为了基坑安全需及时施作底板。

3）坑外土体影响范围一般为基坑宽度的 3 倍左右，深度为基坑深度的 2 倍左右。在地面荷载处，出现沉降沟现象，因此需对地面构筑物沉降现象加强监测。

PLAXIS2D 有限元分析软件能够精确模拟基坑开挖过程，能对基坑土体变形和围护结构变形和内力变化数值模拟，精度能够满足施工需要。在实际施工过程中，基坑的变形、地表沉降及支撑内力等受坑外堆载、基坑暴露时间、降雨等外界环境因素影响较大，因此应对基坑变形情况加强监测，并及时有效应对，确保基坑整体安全稳定。