基坑开挖与围挡支护的数值模拟研究

肖雨瑶

（中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300222）

0 引言

随着大量的高层建筑及地下工程建设的进展，基坑工程应用越来越广泛［1］。为了保证基坑的稳定，早期基坑工程的开挖一般采用放坡的形式［2］。 但在进行城市地铁站开挖时， 由于开挖的深度深、 空间小，放坡无法满足基坑工程的稳定性要求。为了减少对地铁站周围建筑、 地下管道及道路等重要工程的影响，地铁站基坑工程采用围护开挖的方式。而基坑开挖以及围挡支护引起的地铁站周围土体的沉降问题又凸现出来，需要进行专题研究。

目前， 基坑工程引起周围土体变形的研究方法主要有模型试验、理论推导和数值模拟3 种方法［3－8］。其中， 数值模拟是在考虑不同地质条件和影响因素的情况下，建立基坑开挖模型，研究基坑开挖对周围土体的影响。数值模拟由于分析工程问题全面、输出结果直观， 不仅能考虑不同地质条件的土体来模拟实际工况， 而且可以通过修改土体与结构参数以考虑不同因素的影响， 从而模拟每一个施工工况对应的结构受力状态， 在工程项目的初步分析设计与计算研究中得到广泛应用。但是，数值模拟在基坑工程中的应用研究主要体现在基坑开挖过程中围护结构的最大水平位移和地表土体沉降的规律， 且开挖工程没有考虑围挡支护对周围土体变形的影响。 笔者主要针对基坑开挖及围挡支护对周围土体变形的影响进行数值模拟分析， 探讨基坑开挖和围挡支护引起周围土体的内力分布及变形的规律， 以期为实际工程的施工提供参考。

1 工程概况

某地铁换乘站位于两条大道交叉处， 呈南北走向，车站东北方向为锅炉厂，东南方向为城市广场和住宅区，西北方向为城市广场和学校，西南方向为城市广场。两大道为该市的主要道路，车流、人流较大。地铁站周围地表以下45 m 以内地基土属第四系（Q）沉积地层，土体主要是黏质粉土和粉质黏土，其参数如表1 所示。

该车站主体采用两层三跨钢筋混凝土箱型框架结构，基坑长为220.6 m、标准段宽为21.5 m、深约为16.8 m，端头井段宽为26.7 m、深约为18.7 m，同时实施的换乘节点处基坑深度约为24.0 m， 基底埋深最深处为15.5 m。 车站采用明挖法施工， 基坑深为16.8 m， 主体围护结构采用间隔钻孔灌注桩和设3 道钢支撑的支护形式。3 道钢管内支撑分别设置于－1 m、－6.5 m、－12.5 m 标高处，第一道支撑水平间距为6.0 m，第二、三道支撑水平间距为4.0 m。 基坑的围挡支护形式如图1 所示。

表1 土体参数Tab.1 Soil parameters

2 数值模拟

2.1 计算方法

图1 标准段围护结构横断面图Fig.1 Retaining support cross section of standard section

本文采用有限元软件对基坑开挖与围挡支护过程进行模拟， 对基坑开挖的工况以及支护手段进行数值分析。 在建立基坑模型时，假设土体和支护结构材料都是均质、各向同性材料。 基坑模型的长、宽、高均为24 m。 模型将土体分为4 层，层厚分别为2.4 m、6.6 m、6.0 m 和9.0 m， 然后对每一层土体进行参数赋值，如表1 所示。 对赋值模型进行网格划分后，采用摩尔库伦模型进行模拟计算，获得模型的初始平衡状态 （即模拟开挖前的原岩应力状态）。最后，进行工程开挖和支撑，或改变边界条件进行工程的响应分析， 通过显式有限差分程序的方法进行求解［9］。

2.2 模拟开挖与支撑

根据深基坑开挖施工的实际情况，对相应施工工况进行模拟。 每一步都先进行开挖，再利用NULL 模型对相应的网格单元进行开挖模拟，然后利用BEAM单元对架设钢支撑进行模拟。 在边界条件的处理上，限制模型右侧x 方向的位移和模型底部任何方向的位移，以此反复，直到开挖完成，终止模型计算。

本次建模取基坑长（x 方向）为24 m、宽（y 方向）为12 m、高（z 方向）为24 m。 为方便模拟，第一次开挖到7 m， 第二次开挖到13 m， 第三次开挖到17 m（z 方向）。

2.2.1 第一次开挖及支撑

图2 和图3 分别为开挖到地下7 m（z＝－7）时的开挖网格图和在地下1 m 处（z＝－1） 设2 道钢支撑（y＝3，y＝9）的支撑网格图。

2.2.2 第二次开挖及支撑

图4 和图5 分别为开挖到地下13 m （z＝－13）时的开挖网格图和在地下7 m 处（z＝－7）设3 道钢支撑（y＝2，y＝6，y＝10）的支撑网格图。

图2 第一次开挖网格图Fig.2 The first excavation grid

图3 第一道钢支撑网格图Fig.3 The first steel shotcrete grid

图4 第二次开挖网格图Fig.4 The second excavation grid

图5 第二道钢支撑网格图Fig.5 The second steel shotcrete grid

2.2.3 第三次开挖及支撑

图6 和图7 分别为开挖到地下17 m（z＝－17）时的开挖网格图和在地下13 m 处（z＝－13）设3 道钢支撑（y＝2，y＝6，y＝10）的支撑网格图。

图6 第三次开挖网格图Fig.6 The third excavation grid

图7 第三道钢支撑网格图Fig.7 The third steel shotcrete grid

2.3 模拟结果分析

2.3.1 主应力分析

3 次开挖的主应力分布情况如图8～图10 所示。 由图8～图10 可以看出，随着基坑开挖深度的增加，最大主应力集中在坑底和围护结构的两侧，基坑底部的土体变化速率也在慢慢增加。 最大主应力均为由上至下逐步递增，并且方向向下。 在同一水平位置上， 未开挖部分的最大主应力都比开挖部分的最大主应力小。 这符合基坑开挖土体应力的变化规律。 在基坑底部靠近围挡结构的地方，出现应力集中的现象， 说明该部分受力情况相对复杂。

图8 第一次开挖主应力分布图Fig.8 Principal stress distribution of the first excavation

图9 第二次开挖主应力分布图Fig.9 Principal stress distribution of the second excavation

图10 第三次开挖主应力分布图Fig.10 Principal stress distribution of the third excavation

2.3.2 纵向位移分析

3 次开挖的纵向位移变化情况如图11～图13所示。 由图11 可以看出，在开挖土体的时候，原始应力场被破坏，土体中的应力重新分布，基坑周围土体有轻微隆起，较远处有轻微沉降，基坑底部出现隆起。由图12 和图13 可以看出，随着基坑开挖深度的不断增加，基坑底部土体的纵向位移量逐渐增大。 基坑底部有很明显的隆起，越靠近基坑的中心，基坑底部隆起量就越大。 基坑周边地表有沉降，现降量随着到基坑坡顶距离的增大而逐渐减小。

图11 第一次开挖纵向位移图Fig.11 Vertical displacement of the first excavation

图12 第二次开挖纵向位移图Fig.12 Vertical displacement of the second excavation

图13 第三次开挖纵向位移图Fig.13 Vertical displacement of the third excavation

2.3.3 水平位移分析

3 次开挖的水平位移如图14～图16 所示。 由图14～图16 可以得出：（1）在基坑开挖过程中，由于侧向约束力逐步被解除，因此，会产生水平位移，且同等深度的水平位移随着开挖深度的增加而增加。（2）在开挖深度不断增加的情况下， 开挖平面上的水平位移在逐步增大， 而开挖面以下土体的水平位移是先增大后减少。这是因为第一次开挖坑底产生隆起，故开挖面以下产生较大的位移， 随着围护结构支撑的逐步到位，水平位移逐渐减小。 每次开挖带来的水平位移的变化都是先增大后减小，开挖面的土体向基坑内部移动的位移较大。 （3）在进行第三次开挖时，基坑土体水平位移随开挖深度的不断增加而逐步增加。 在开挖至深基坑底部的时候，水平位移值达到最大，最大水平位移发生在基坑的上半部分。

图14 第一次开挖水平位移变化图Fig.14 Horizontal displacement change of the first excavation

图15 第二次开挖水平位移变化图Fig.15 Horizontal displacement change of the second excavation

图16 第三次开挖水平位移变化图Fig.16 Horizontal displacement change of the third excavation

3 结语

本文根据基坑开挖及支护的工程特点， 采用有限元软件对基坑开挖及围挡支护的最大主应力、纵向位移和水平位移进行分析， 得出如下结论：（1）最大主应力主要集中在坑底和围护结构的两侧， 在坑底和基坑边坡的区域容易出现应力集中的现象，故在基坑工程施工过程中， 应特别注意此区域的结构强度。 （2） 基坑底部和基坑周围的土体有明显的隆起，这表明基坑开挖对基坑底部底板的强度要求高。基坑对周围的土体影响较大， 尤其是周围有建筑物时，应控制其对周围土体的位移影响。 （3）在开挖至深基坑底部的时候， 基坑靠上部分的水平位移达到最大。 在施工过程中，应加强该部分的水平支护。 需要说明的是， 本文仅考虑了基坑开挖对周围土体的影响，对周围建筑或堆载的影响有待进一步研究。