邻近地铁基坑支护结构稳定性分析及数值模拟

刘 恒

（中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074）

《国务院办公厅关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》（国办发〔2018〕52号）印发以来，我国城市轨道交通总体保持有序发展，对提升城市公共交通供给质量和效率、缓解城市交通拥堵、引导优化城市空间结构布局、改善城市环境起到了重要作用。位于城市中心繁华区域，靠近建（构）筑物及地下管线等基础设施的建筑也随之迅速发展[1-2]，如地下停车场、地下车库、地铁车站、地下通道、地下商场、地下人防工程、综合管廊、地下综合体等。在该类工程基坑开挖的过程中，通常面临周边场地狭窄、管线密布、建筑物林立的情况，故基坑建设不仅要满足自身稳定性要求，还要保障邻近地铁结构的安全，这使得基坑支护结构设计方案成为重中之重。国内外学者依托工程实际，利用数值模拟法做了大量的相关研究。李家平等[3]采用FLAC3D软件，总结了基坑开挖区间隧道隆起的变形规律；郭晓欢等[4]利用ANSYS软件，研究了“手枪型”不规则基坑开挖对地铁车站结构及轨道变形的影响规律；冯晓腊等[5]采用PLAXIS软件，分析了复杂条件下，基坑支护体系及周边环境受力、变形等情况。

文章通过理正深基坑软件计算和Midas/GTS软件数值模拟，对基坑的设计和施工进行稳定性评价，可为后续工程的设计与施工提供指导。

1 工程实例

1.1 工程特点及周边环境

嘉里南昌综合发展项目（二期）地下室基坑开挖面积约4463m2，基坑周长约275m，基坑开挖深度为13.05m。基坑东侧为香格里拉大酒店，距离基坑约11.4m；南侧为雅颂居，距离基坑约4.8m；西侧为翠林路，宽10.2m，距离基坑约9.6m；北侧为世贸路，邻近地铁1号线，基坑与地铁车站出入口最近的距离约8.1m。基坑安全等级为一级。具体位置关系如图1所示。

1.2 工程地质及水文条件

该工程场区地层由人工填土（Qml）、第四系全新统冲积层（Q4al）及下部第三系新余群（Exn）基岩组成，按其岩性及其工程特性，自上而下依次划分结果如表1所示。地下水来源主要为上层滞水和地下水，地下水处理采用坑内疏干降水和坑外应急降水两种措施。基坑支护结构进入中风化岩层，降水对周边环境的影响较小，可忽略基坑地下水处理对地铁结构的影响。

图1 工程周边环境

表1 土层计算参数表

2 支护方案及验算

2.1 基坑支护形式

针对该基坑的特点，结合基坑周边环境、现有施工条件和施工工期等因素，采用“TRD工法桩＋一道混凝土支撑＋两道预应力型钢支撑”支护结构。基坑北侧邻近地铁，支护结构顶采用200mm厚C20钢筋混凝土挡墙作为挡土结构，基坑支护结构采用850TRD渠式切割水泥土连续墙内插H700mm×300mm×13mm×24mm型钢，入③-2中风化岩层1.0m。桩顶冠梁宽度为1.2m，高度为0.8m，混凝土强度等级为C30。基坑北侧（地铁侧）不允许堆载，型钢间距为0.6m。基坑东侧、南侧及西侧型钢间距为0.8m，基坑周围坡顶0～2m内不得堆载，2～10m范围内地面荷载不允许超过20kPa。

2.2 基坑支护设计难点

此次基坑设计存在以下四个难点：

（1）工程地质及水文条件复杂。场地范围内下部主要是砂层，虽然内摩擦角较大，但黏聚力低，在水的作用下易失稳，产生渗透变形，对基坑安全极为不利。

（2）地下水补给丰富。场地内地下水主要受赣江水体控制。赣江地表水体的补给条件好，在汛期，赣江水位上涨，地表水体也可补充地下水。地下水主要为第四系松散层孔隙水，赋存于砂层中，渗透性比较好，补给快。

（3）工期较长。由于项目占地面积较大，整个项目基坑开挖至坑底后，以及后期桩基检测等，使得基坑暴露较长，对基坑安全性的控制也极为不利。

（4）基坑北侧有地铁通过。基坑北侧为地铁1号线车站，地铁出入口与基坑净距离为8.1～10.4m，地铁隧道外边线距离基坑边缘约15.4m。关于支护结构的强度计算、稳定性计算和变形控制以及地铁隧道结构产生的变形要求较严格，如何在深基坑开挖过程中确保地铁结构安全且正常运行是一个重难点。

2.3 理正计算结果

采用理正计算软件对支护结构进行验算，地质资料参考场地勘察报告中的资料。该基坑支护结构安全等级为一级，支护结构重要性系数γ0为1.1。基坑坡顶地面超载设计采用20kPa，为局部均布荷载，基坑北侧1-1剖面无堆载，2-2剖面堆载范围为2～10m。参照地勘报告，结合该场地周边工程，基坑外侧地下水位深度取zw=5.0m、内侧地下水深度取13.05m。土压力计算时对于杂填土、砂层等透水性土层按水土分算法计算。内力计算方法采用增量法。

基坑地铁侧剖面结果显示，支护结构最大水平位移为20.26mm，支护桩弯矩在-450.79～193.52kN·m，剪力分布在-178.97～278.38kN；基坑最大水平位移发生在大约基坑深11.0m处，大致位于基坑1/2深度处。在进行基坑内支撑拆除施工时，支护结构水平位移略有减小，总体趋势较稳定。

非地铁侧剖面结果显示，支护结构最大水平位移为24.10mm，支护桩弯矩在-574.42～274.10kN·m，剪力分布在-261.49～378.08kN；基坑最大水平位移发生在大约基坑深11.5m处，大致位于基坑1/2深度处。非地铁侧与地铁侧剖面支护结构水平位移变形相似，具体相同的变化趋势。

按抛物线法，地铁侧与非地铁侧地表沉降最大沉降量为28mm和33mm，产生最大沉降的部位距离坑边约7m。根据相关规范进行验算，计算结果如表2所示。从表2可以看出，整体稳定性系数、抗倾覆、抗隆起系数均大于规范值，型钢截面抗弯抗剪承载力均未超过规范值，基坑支护方案满足安全性要求。

表2 剖面支护结构验算结果

3 数值模拟

3.1 模型建立

土体采用修正莫尔-库伦本构模型，墙、支撑等其他结构体采用弹性模型，单元类型为四面体单元。模型中的介质均为连续介质，土体采用实体单元，墙采用板单元，支撑采用梁单元。将渠式切割水泥土连续墙根据等效刚度法等效为钢筋混凝土板结构。不考虑支护结构开挖和降水对土体性质的影响，不考虑渗流和固结的影响。计算模型共117223个单元，66169个节点，采用自由边界，模型长270m、宽200m，建模深度取40m，约2.5H（H为基坑深度）。基坑模型及周边结构关系如图2所示。

图2 基坑三维模型

3.2 开挖工序

计算模型主要分为以下11个工况：

（1）初始地基应力阶段。激活模型内的所有土层，包括拟开挖的基坑土层、地铁车站、隧道；激活模型五个面上的边界条件；激活自重荷载。该阶段主要模拟土体的自重固结作用。该阶段勾选初始位移清零。

（2）地铁结构完成阶段。钝化地铁车站、隧道，激活隧道衬砌、车站结构。

（3）位移清零阶段。主要消除地铁及隧道施工对基坑的影响。

（4）施工支护结构阶段。激活地下连续墙、基坑立柱桩及基坑堆载。

（5）第一次开挖至2.1m，钝化土层。

（6）在1.6m处设置第一道支撑，激活冠梁、内支撑。

（7）第二次开挖至7.8m，钝化土层。

（8）在7.3m处设置第二道支撑，激活腰梁、内支撑，对型钢施加预应力。

（9）开挖坑底。钝化土层。

（10）施工底板及地下二层楼板，拆除第二道支撑。

（11）施工顶板，拆除第一道支撑。

4 计算结果及分析

4.1 基坑周边地表沉降

计算结果东西向位移结果以向东为正，南北向位移结果以向北为正。经过计算分析将基坑地表沉降结果进行汇总，如表3所示。基坑东西南北向的地表最大沉降量小于35mm，小于现行基坑支护规程对地表沉降的控制。

选取地铁侧（北侧）和远离地铁侧（侧）最大地表沉降处的截面，提取截面上的节点位移数据作图分析：地表沉降最大的位置距地铁侧约7m，距非地铁侧约11m，整体沉降曲线呈现先增大后减小的勺形。这是因为一开始土体开挖是直接钝化的，支护结构会产生向基坑内部的水平位移。随着开挖深度加深，支护结构后方的桩土摩擦力使得坑边沉降小于较远处的土体。在工况4时，地铁侧坑外地表沉降很小，而非地铁侧沉降较为明显。由于受到堆载的影响，坑外地表产生附加沉降，使得整体沉降曲线有向坑外侧移动的趋势，导致沉降曲线由勺形变为两头小中间大的凹勺形。距离坑边越远沉降越小，说明土体开挖的影响范围是有空间限值的。

表3 基坑地表沉降计算结果汇总表

4.2 基坑支护结构水平位移

选择地铁侧（北侧）和远离地铁侧（南侧）的支护结构最大水平位移模拟结果来分析随土体开挖的水平变形规律。基坑东西南北向的支护结构水平位移小于30mm，小于现行基坑支护规程对位移的控制。提取最大位移断面数据，数据汇总如表4所示。

表4 基坑支护结构水平位移汇总表 （单位：mm）

选取地铁侧（北侧）和远离地铁侧（侧）最大支护结构水平位移处的截面，提取截面上的节点位移数据分析：在工况4时，地铁侧支护结构水平方向有轻微的向坑外侧的位移，非地铁侧产生向坑内侧的位移。这是因为基坑的其他侧有堆载，应力扩散迫使支护结构产生向坑内位移。支护结构的刚度较大，在三面向内的外力作用下，非地铁侧产生向坑外侧的位移。在工况6时，由于开挖的深度较小，整体水平位移较小，可以看出支护结构变形随着深度增加在减小。在工况8时，整体变形曲线随着深度增加，呈现先增大再减小的凸形趋势，这是因为围护结构下部嵌固深度较大，上部受冠梁和第一道支撑的作用。随着基坑开挖至坑底，此时整体变形曲线同前阶段类似，都是由上到下先增加再减小的类似抛物线形，但竖向位移增大的幅度呈现出逐渐增大的趋势。

5 结语

文章以嘉里南昌综合发展项目（二期）为背景，以研究其TRD工法桩式结构的可行性为主要研究目的，结合项目周边环境、工程地质与水位地质条件、地铁结构保护要求，分析了项目基坑支护设计的重难点，对基坑支护结构进行了理论计算及三维有限元模拟分析，研究了深基坑周边地表、支护结构及邻近地铁结构的变形规律，为工程设计施工提供参考。

对于基坑邻近地铁车站工程，由于周边环境条件复杂，加之工程地质、水文条件具有区域性，很难针对所有工程进行规律总结。地铁运行过程中的动载是一个复杂的多自由度振动体系，大小随时间变化而变化。下一步可研究地铁运营期间产生的列车动荷载与基坑工程之间的相互影响。