地铁“L”型换乘站深大基坑稳定性及现场监测研究

邓能伟，胡修玉，赵 星，郭卫杰，王 涛

（1. 中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，安徽 合肥 230000；2. 安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

0 引 言

随着城市的经济快速发展与规模的不断壮大，城市交通拥堵的问题已经变成当今城市发展所面临的最主要问题之一。为解决拥堵问题，目前采取的主要措施是发展地下有轨公共交通[1]。自20世纪60年代以来，为满足城市迅猛发展的需要，北京、上海、深圳等地建设了多条地铁线路。同时为了发挥地铁线路大运量和快速的优势，越来越多的选择是大容量的快速轨道交通系统，其中作为地铁网重要节点的综合换乘车站的建设就变得更加重要[2-10]。俞建霖等[11-12]在基坑与周围土体的相互作用的条件下，对基坑进行数值模拟分析，并对围护结构、底部隆起等变形规律进行了研究，发现基坑开挖过程具有明显的空间效应。罗海燕[13]运用 FLAC3D数值模拟软件，研究地连墙插入比大小对基坑稳定性的影响，得出地连墙的插入比设置在0.7～0.8范围内，地连墙在水平方向上的位移是减小的，同时显著减小地表沉降量和坑底隆起量，提高了基坑的整体稳定性。宋林[14]通过三维数值模拟，对比探究不同的开挖施工工序，分析结果可知，盖挖逆筑法相比明挖顺筑法产生的围护结构变形更小，但围护结构所受内力较大。徐江[15]运用ABAQUS软件对软土地层的地铁深基坑进行数值模拟计算，同时和实测数据对比分析后，得出结论，狭长型深基坑的长边中点位置上的断面以及端部位置上的断面，其基坑变形的差异比较大，需要在监测中关注。

本论文结合福州地铁5号线洪塘路换乘车站深基坑施工，采用Midas GTS/NX软件进行基坑有限元数值模拟，模拟“L”形地铁车站深基坑开挖的具体施工过程，研究地连墙在水平方向上的位移、基坑周围地表的沉降和支撑结构受力变形规律，对比基坑开挖过程中的实际监测数据，发现深基坑在整个开挖工程中整体稳定性表现良好。

1 工程概况

1.1 工地概况

洪塘路站为福州市轨道交通4号线与5号线换乘车站，位于洪塘路与闽江大道交叉口，4号线车站沿洪塘路东西向敷设，5号线车站沿闽江大道南北向敷设，两站斜交呈“L”型，4号线车站在下方，5号线车站在上方。5号线车站长265.5 m，标准段宽22.7 m，基坑深度为17.75～20.35 m。4号线车站长187.4 m，标准段宽23.9 m，基坑深度为32.3～36.2 m。如图1所示。

图1 洪塘路站平面位置图Fig. 1 Layout of Hongtang road station

1.2 水文地质

洪塘路站场地地层主要为杂填土、粉质黏土、淤泥、（含泥）中粗砂、粉质黏土、淤泥质土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、全风化辉绿岩、强风化花岗岩（砂土状）、强风化花岗岩（碎块状）、强风化辉绿岩（砂土状）、强风化辉绿岩（碎块状）、微风化花岗岩。车站底板主要位于②-4-6（含泥）中粗砂、⑤-2残积砂质黏性土、⑥-1全风化花岗岩和⑦-1-1强风化花岗岩（砂土状），其地层物理力学参数如表1所示，初见水位埋深为1.20～6.50 m，初见水位标高为 6.47～10.73 m；稳定水位埋深为1.30～4.00 m，稳定水位标高为6.14～9.95 m。

表1 地层物理力学参数Table 1 Stratum physical and mechanical parameters

1.3 开挖方案

洪塘路站5号线基坑分10段进行开挖，每段开挖长度约22 m，计划完成第1～8段土方开挖后，停止施工，预留第9～10段约40 m土方，为换乘节点基坑南侧封堵墙提供侧压力，确保基坑整体的稳定性和减小南侧接口处地连墙在水平方向上的位移。4号线基坑分7段进行开挖，每段开挖长度约20 m，第1～6段土方开挖完成后，停止土方开挖及外运，预留第7段约20 m土方，为换乘节点西侧封堵墙提供侧压力，预留部分优先为换乘节点主体结构施工提供施工场地。采用分层分段开挖能有效避免因开挖断面过大而产生的大变形。如图 2所示。

图2 始发端管线平面图Fig. 2 Excavation pit sequence of Hongtang road station

2 基坑稳定性数值模拟分析

根据洪塘路换乘车站深基坑工程的地质特征及施工特点，采用Midas GTS/NX有限元软件，对基坑的施工阶段进行模拟，具体施工阶段如表2所示。对不同施工阶段下的地连墙深层水平位移，基坑周围地表沉降，支撑结构轴力进行分析研究，验证深基坑分区开挖施工方案的可行性。

表2 施工阶段模拟Table 2 Construction phase simulation

2.1 模型尺寸确定

洪塘路站为“L”型换乘中转车站，由于4号线基坑和5号线基坑长度较大，所以不考虑计算4号线和5号线基坑远离换乘节点一侧的端头井，模型以换乘节点为中心，选取4号线和5号线的标准段部分。根据圣维南原理，考虑深基坑的开挖影响区域，确定模型的尺寸为260 m×265 m×100 m（长×宽×高），如图3所示。基坑的内支撑模型如图4所示。采用混合网格生成器划分网格，基坑数值模型共生成254 200个单元，132 280个节点。

图3 车站基坑模拟计算模型图Fig. 3 Simulation model of excavation pit

图4 基坑内支撑布置图Fig. 4 Support system of foundation pit

2.2 施工阶段模拟

本工程运用明挖法分层分段开挖，分区开挖施工方案如图5所示。考虑到4号线和5号线标准段土体开挖施工会导致换乘节点基坑封堵墙外的主动土压力减小，换乘节点基坑会发生偏压失稳。因此，对封堵墙一侧设置预留土体并进行放坡处理，坡度为1∶1.5，为换乘节点基坑提供侧压力。先进行换乘节点和5号线标准段的施工，再进行4号线标准段的施工，最后对封堵墙外预留土体进行同步开挖，直至基坑整体开挖完成。

图5 基坑开挖放坡示意图Fig. 5 Step-slope excavation of foundation pit

2.3 结果分析

（1）地下连续墙水平位移分析

在基坑开挖施工过程当中，为分析基坑围护结构的稳定性，提取工况8工况14和工况15地连墙水平位移图，如图6～8所示。同时提取换乘节点东侧、4号线和5号线基坑标准段中部断面各施工阶段地连墙水平位移模拟值，绘制不同深度条件下相对应的在水平方向上的位移曲线图，如图9～11所示。

图6 工况8地下连续墙水平位移图Fig. 6 Horizontal displacement of diaphragm wall in working condition 8

图7 工况14地下连续墙水平位移图Fig. 7 Horizontal displacement of diaphragm wall in working condition 14

图8 工况15地下连续墙水平位移图Fig. 8 Horizontal displacement of diaphragm wall in working condition 15

图9 工况15地下连续墙水平位移曲线图Fig. 9 Horizontal displacement curve of transfer nodes

图10 5号线水平位移曲线图Fig. 10 Horizontal displacement curve of line 5

图11 4号线水平位移曲线图Fig. 11 Horizontal displacement curve of line 4

通过图 6～8可知，换乘节点开挖到基坑底部时，地连墙的最大位移距离为22.6 mm，由于地连墙受到外侧土压力的作用，故产生向坑内方向的位移，未发生偏压失稳。5号线标准开挖段地连墙在水平方向上的位移随施工阶段进行增长较快，当开挖到基坑底部的时候，5号线标准段地连墙的最大位移距离为18 mm。当4号线标准段开挖结束的时候，地连墙的最大位移距离为26.4 mm，在安全控制值30 mm内。

（2）支撑轴力分析

提取工况8，工况14和工况15的支撑轴力图，绘制支撑轴力的变化曲线图，如图12～17所示。

图12 工况8支撑轴力图Fig. 12 Supporting axial force of working condition 8

图13 工况14支撑轴力图Fig. 13 Supporting axial force of working condition 14

图14 工况15支撑轴力图Fig. 14 Supporting axial force of working condition 15

图15 换乘节点支撑轴力变化曲线图Fig. 15 Variation of supporting axial force of transfer nodes

图16 5号线支撑轴力变化曲线图Fig. 16 Variation of supporting axial force of line 5

图17 4号线支撑轴力变化曲线图Fig. 17 Variation of supporting axial force of line 4

由图 12～17可知，各道支撑轴力随着开挖深度的增大，轴力逐渐增大，且第四道、第五道支撑轴力增长速度较快。开挖见底后，第四道、第五道支撑轴力达到最大值，分别为5 232 kN和4 131 kN。位于5号线基坑标准段位置的开挖深度较小，开挖见底之后，支撑轴力的最大值位于第三道支撑，为1 220 kN，4号线基坑开挖至底部后，第四道支撑轴力达到最大值8 027 kN，施工开挖至第四道支撑附近时需严格控制开挖深度，减小开挖面积，加强监测管理，防止实际施工过程中支撑轴力超过设计值，导致支撑结构损坏。

（3）周边地表沉降分析

在基坑的设计和施工的过程中，需重点关注基坑周边地表的沉降情况。分别提取换乘节点、4号线和5号线的基坑周边地表沉降图，绘制地表沉降变化曲线图，如图18～23所示。

图18 工况8地表沉降图Fig. 18 Surface settlement of working condition 8

图19 工况14地表沉降图Fig. 19 Surface settlement of working condition 14

图20 工况15地表沉降图Fig. 20 Surface settlement of working condition 15

图21 换乘节点地表沉降变化曲线Fig. 21 Settlement trough of transfer nodes

图22 5号线地表沉降变化曲线Fig. 22 Settlement trough of line 5

图23 4号线地表沉降变化曲线Fig. 23 Settlement trough of line 4

由图18～23可知，4号线标准段中部开挖深度最大，周围地表沉降量最大，为13.7 mm。换乘节点处的基坑开挖深度与 4号线的基坑开挖深度相同，但开挖面相对较小，周围地表沉降量最大值为9.6 mm。5号线标准段中部开挖深度最小，因此周围地表沉降量最小，为7.6 mm。

3 计算值与现场实测对比分析

图24为换乘节点QCX31监测点开挖至坑底时的监测值与计算值对比曲线图。从地连墙水平方向的位移值看，计算值与监测值有一定的差异，主要原因是：本工程的基坑形状复杂，分层分块开挖步骤繁复；施工场地较大，各土层分布不均匀，计算模型将基坑施工场地范围内土体简化为均匀水平分布，与实际地层分布的存在差异。同时场地内地下水分布情况复杂，难以探究其对维护结构位移的不良影响。但从总体的变形趋势看，变形规律基本一致，数值模拟结果对分析基坑开挖过程中围护结构稳定性具有一定的参考意义。

图24 地连墙水平位移和深度对比曲线Fig. 24 Horizontal displacement and depth curve of diaphragm wall

图 25和图 26为基坑开挖完成后 DBC31和DBC06监测断面监测值和模拟计算结果对比图。

由图25和图26可知，基坑外侧土体沉降模拟值与监测值变化曲线均呈现为“凹槽形”。计算的地表沉降最大值小于现场实测结果，主要原因是模拟过程中没有考虑现场施工荷载、基坑降水等因素对周围地表沉降变形的影响，从而使两者存在一定的差异。计算结果显示坑外土体沉降主要发生在1.7～2.3倍开挖深度内，实测数据受基坑周围测点布置范围限制，只对在基坑边缘15 m的位置范围内的地表沉降量进行了实时监测，实测结果显示，在基坑边缘15 m的位置上，其地表的沉降量仍未收敛，由施工开挖所引起的地表沉降范围已经超出监测范围。基坑坑外地表沉降的变化规律基本相同，则证明本文所采取的模型是合理的。

图26 DBC06地表沉降模拟值与监测值对比Fig. 26 Subsidence and monitoring value of DBC06

4 主要研究结论

本文依据福州地铁4、5号线“L”型换乘车站洪塘路站深基坑施工，以数值模拟与现场监测相结合的形式，探究洪塘路站深基坑工程中的受力变形规律，得出主要结论如下：

（1）在洪塘路站基坑施工过程中，受到基坑地连墙顶部冠梁和第一道支撑限制，底部位置由于墙体的纵向嵌固，位移量均较小，最大变形发生于地连墙中部，水平变形曲线呈弓形。当基坑内土体开挖卸载的时候，围护结构受基坑内外土压力差作用，其在水平方向上的位移逐渐增大，发生最大位移的位置随土体开挖面向下移动。

（2）在基坑附近范围内的土体，其沉降的曲线总体呈现出“凹槽形”。在基坑边缘 5～15 m的位置上，地表的沉降量较大。

（3）随着基坑不断开挖，基坑内各道支撑轴力呈现不同程度的增大。换乘节点上的最大支撑轴力位于第三道和第四道支撑处，5号线位置的基坑，其最大支撑轴力位于第三道支撑处，支撑受力主要集中于坑内的中下部。同时下部支撑的架设和拆除对上层支护结构受力情况具有一定影响，应加强邻近支撑的监测。