西安地铁某车站深基坑开挖变形特性分析

孙建超，毛红梅，高攀科，张华兵，刘大鹏

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2．中交远洲工程咨询有限公司，河北 石家庄 050035)

近年来，城市轨道交通迅猛发展，地铁深基坑开挖施工引起地面沉降、周边建筑物下沉和倾斜等问题越来越多，甚至引起路面塌陷等安全事故。为确保施工中周边建筑物和道路的安全，有效控制地表沉降和变形，指导基坑的开挖工作，地铁深基坑开挖引起的地表沉降的数值分析和监测研究显得尤为重要。夏雄等[1]研究了常州某地铁站基坑施工临近地面沉降的变化规律，发现基坑开挖引起的地表变形总体呈“凹槽形”，可近似用多项式进行拟合，地表沉降最大值距离地下连续墙约0.5H(H为基坑开挖深度)，地面隆起出现在距离基坑断面较远处。李全文[2]对深厚软土地区地铁车站基坑施工对周边地表的影响进行研究，结果表明地表沉降横断面随着基坑开挖深度的增加逐渐从“三角形”形沉降转向“抛物线”形沉降。王玉田等[3]运用有限元分析结合现场监测的方法，分析了青岛地铁车站基坑开挖引起的地表沉降及围护结构变形的规律，结果表明在基坑开挖支护施工过程中，围护结构侧向水平变形沿基坑开挖深度的变化曲线逐步由“悬臂式” 发展为“弓形”，最大水平位移值位于基坑最大开挖深度的 2/3 处，周边地表沉降随着到基坑边缘距离的变化逐步由“三角形”发展为“凹槽形”，地表最大沉降位置距离基坑边缘9 m处。代朋飞[4]研究了合肥地铁盾构法施工引起地表沉降的变化规律，运用有限元建模分析开挖与地表沉降的关系并与实测数据进行对比，得到不同开挖方案的地表沉降曲线，通过对比同组沉降曲线的变化特征进而得到隧道埋深、注浆强度、掘进力对地表沉降的影响规律，利用地表沉降的规律对地铁建设工程提出控制地表沉降的有效措施。李永靖等[5]在理论分析的基础上，提出了地表沉降数值计算模型，并对模型中的参数进行分析，结果表明考虑支护结构侧移影响下建立起来的数值计算模型具有一定的合理性，能够很好地预测基坑周围地表的沉降趋势。而西安地区存在地裂缝的地质灾害[6]，关于西安地铁深基坑开挖变形分析的实例和监测数据还不多见，因此对基坑开挖引起变形分析的研究对施工安全尤为重要。

本文运用ABAQUS有限元模拟分析与现场监测相结合的方法，对某地铁车站深基坑开挖引起周边地表沉降和围护结构变形进行模拟，并结合现场实测数据，分析沉降和变形规律，研究结果可指导现场的基坑开挖和监测工作，确保基坑开挖及周边环境的安全。

1 工程概况及周边环境

该车站主体结构尺寸为159.1 m×22.3 m(标准段宽)的地下三层换乘站，车站地下一层为站厅层，地下二层为设备层，站台位于地下三层，内部结构为钢筋混凝土箱型结构，车站结构示意图如图1所示。

图1 车站结构示意图Fig.1 Schematic of the station structure

车站中部标准段基坑宽22.3 m，深度23.24 m，北端头井宽26.3 m，基坑深24.5 m，南部扩大端宽24.4 m，开挖量约为85 043 m3，采用半盖挖顺做法施工。基坑围护采用1000 mm厚地下连续墙，深约41.24 m，标准段设6道内支撑，其中第一道为1200 mm×1000 mm的钢筋混凝土支撑，第五道和第六道为800 mm(钢管壁厚t=16 mm)的钢管支撑，其余均为609 mm(t=16 mm)钢管支撑。

该车站沿道路布设，东侧是8层钢筋混凝土结构，距车站基坑20 m；西侧是2～4层钢筋混凝土结构建筑，两栋建筑均有地下室。车站东南侧为商业广场，车站南端紧贴已运营的地铁2号线，站址北侧为空地约800 m2。车站基坑平面及周边建筑示意如图2所示，施工场地狭小，该基坑周边环境复杂，又紧邻已运营的既有地铁线路，基坑开挖深度大，施工风险高，地表沉降的控制显得尤为重要。

图2 车站基坑及周边建筑平面示意图Fig.2 Schematic of the foundation pit and surrounding buildings of the station

2 工程地质及水文地质概况

2.1 工程地质

该站基坑开挖范围地层从上到下依序为杂填土、粉土、粉砂、粉质黏土、粉细砂、黏土、含卵砾石粉质黏土和泥质粉砂岩。车站底板位于粉质黏土层，地连墙墙趾主要位于中风化泥质粉砂岩，地层分布情况如表1所示。

表1 地层分布情况表

根据勘察报告，场地未发现岩溶、滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降等不良地质作用，场地范围内的粉土为轻微液化土层，埋藏浅、厚度较小，车站底板部分位于液化土层以下。

2.2 水文地质

本段地下水类型分别为地表水、孔隙潜水和弱承压水3种类型。孔隙潜水主要位于杂填土层、粉质黏土层，对车站基坑开挖影响较大，施工时需在基坑内设置降水井，在施工前对基坑内采用疏干降水，对承压水层根据按需降水原则进行降水。弱承压水主要赋存于含卵砾石粉质黏土，隔水顶板为粉质黏土，对工程影响较小。

3 基坑开挖对地表影响模拟计算

3.1 基本假定

在建立基坑开挖模型时作了如下假定：各层土体水平状分布且是各向同性的弹塑性材料，不考虑地下水的影响，只考虑土的竖向自重应力，按不排水条件下的基坑进行开挖，不考虑时间因素对土体变形的影响[7-9]，地下连续墙和支撑结构为弹性体，土体为服从Mohr-Coulomb屈服准则的均质弹塑性体。

3.2 模型的参数选取

运用ABAQUS建立三维基坑开挖模型，长度和和宽度方向取2倍实际尺寸的影响范围，深度方向取3倍的影响范围，模型尺寸为300 m×110 m×60 m，本例中土体采用三维八节点实体减缩积分单元(C3D8R)进行模拟，围护结构采用四节点减缩积分的壳单元(S4R)，支撑结构采用两节点梁单元(B31)，地下连续墙与土体间采用硬接触关系，支撑与围护结构采用ABAQUS中的tie进行约束。模型在模拟计算中取位移边界约束取为：模型的顶面为自由边界面；底面3个方向都约束，短边两个面约束X方向位移，长边两个面约束Y方向位移。土体和连续墙模型的网格划分见图3～4。

图3 模型土体网格划分图Fig.3 Grid division of soil

图4 地连墙的网格划分图 Fig.4 Grid division of diaphragm wall

地基土的参数根据勘察报告如表2所示，支护结构尺寸及参数如表3所示，开挖前先进行初始地应力平衡，然后施做地下连续墙围护结构，共分7个工况进行开挖和支护，首先开挖到-1.2 m，施作第一道混凝土支撑，然后依次开挖支撑，每次开挖深度为4 m左右，第六道支撑施工完成后，开挖至设计深度，施工工况情况如表4所示。

表2 地基土的计算参数

表3 支护结构尺寸及参数

表4 施工工况模拟表

3.3 有限元计算结果分析

3.3.1 周边地表沉降分析

基坑的开挖会导致周围土体应力重分布，发生地层的移动，引起地面沉降[10-13]。沉降的大小直接影响周边环境的安全。本文选取基坑的长边和短边沉降量最大的中点位置进行地面沉降分析，总结地表沉降随开挖的变形规律[14-15]。地表沉降如图5所示，U3表示沉降变形量，单位为mm，长边和短边中点处周边地表沉降随基坑开挖变化曲线如图6和图7所示。

图5 地表沉降和坑底隆起情况Fig.5 Surfacesettlement and pit bottom uplift

图6 长边中点处周边地表沉降Fig.6 Ground settlement around the midpoint of the long edge

图7 短边中点处周边地表沉降Fig.7 Ground settlement around the midpoint of the short edge

从图6和图7可以看出，基坑长边的沉降主要影响范围比短边大，坑底隆起最大值为14.88 mm，周边地表最大沉降为3.298 mm。由图6可以看出，随着基坑开挖深度的增加，周边地表沉降也在不断变大，曲线形态随着开挖深度的增加由开始时的“三角形”逐渐变为“凹槽形”，各工况最大沉降量都出现在距基坑边缘11 m(0.5H)左右的位置，距基坑边缘0～25 m内沉降量最大，施工中应重点关注[16-17]。通过图7可以看出，随着基坑开挖深度的增加，地面沉降也在不断变大，曲线变化呈抛物线型，各工况最大沉降量都出现在距基坑边缘7 m(0.3H)左右的位置，距基坑边缘0～22 m内沉降量最大，施工中应重点关注，地面沉降最大值发生在长边一侧。基坑开挖长边对地表沉降影响范围为1.72倍开挖深度，约为40 m；短边对地表沉降的影响范围为1.59倍开挖深度，约为37 m，超过后影响很小。

3.3.2 围护结构变形

随着开挖深度的增加，围护结构会向临空方向发生较大变形，选取长边中点处的围护结构变形进行分析，围护结构的变形如图8所示，U2表示围护结构向临空方向的位移，单位为mm，各工况下长边中点处围护结构位移如图9所示。

图8 围护结构位移Fig.8 Displacement of the retaining structure

图9 长边中点处围护结构位移Fig.9 Displacement of the retaining structure at the midpoint of the long edge

由图8、9可以看出，随着开挖深度的增加，围护结构的位移也逐渐增大，最大位移位置有逐渐下移的趋势，曲线由“悬臂式”变为“抛物线形”，最大变形出现在深度12.5 m(约0.5H)左右的位置，最大位移为11.05 mm，在此位置附近要加强支撑，防止产生过大变形；深度26 m以下位移都在1 mm以下，围护结构墙底位移近似为0，分析原因是围护结构已经嵌入岩层。短边围护结构位移整体比长边小，变化规律与长边相似，在此不再赘述。

4 与实测数据的对比分析

本文重点关注地表沉降监测情况与数值模拟的对比情况，选取长边基坑中点处的地表沉降监测断面，长边中点处周边地表沉降实测值如图10所示。由图10可以看出，随着基坑的开挖深度增加，地表沉降也在逐渐增大，曲线呈抛物线形，各工况最大沉降出现在距基坑边缘约10 m处，与模拟的最大沉降距基坑边缘约11 m处相近；主要影响范围为0～20 m，与模拟计算的0～25 m影响范围吻合；实测最大地表沉降为5.30 mm，与模拟的最大沉降3.298 mm有一定差距，主要原因在于场地内的部分土层结构松散，分布不均，而建模时假定同一土层参数相同，加之模拟中主要考虑开挖引起的地表沉降，没有考虑基坑周边建筑物和其他荷载的影响；但是模拟值与实测值的地表沉降曲线变化规律基本一致，验证了模拟计算的合理性，在施工中还要做好建筑物和地面沉降监测工作，确保安全。

图10 长边中点处周边地表沉降实测值Fig.10 Measured value of ground settlement around the midpoint of the long edge

5 结论

本文以西安地铁车站深基坑工程为背景，运用ABAQUS进行模拟分析计算，结合现场实测数据，主要分析基坑开挖引起的围护结构变形和周边地表沉降的变化规律，并将周边地表沉降的模拟结果与现场监测值进行对比，得到以下结论：

(1)基坑开挖中的周边地表沉降的模拟变化规律为：沉降曲线随着开挖深度的增加逐渐增大；同一工况下，随着距基坑边缘距离的增大，沉降是先增大，后减小，地表最大沉降位置在距离基坑边缘约11 m处；长边为距基坑边缘0～25 m范围内沉降量最大，短边为距基坑边缘0～22 m范围内沉降量最大，施工中应作为监测的重点。

(2)模拟分析中，围护结构的最大位移出现在深度11 m(0.5H)左右的位置，最大位移为11.05 mm，深度26 m以下的位移都在1 mm以下，施工中要加强0～21 m深度范围内的监测。

(3)实测周边地表沉降值大于模拟值，但是实测值与模拟值曲线的变化规律一致，最大沉降位置与模拟值相近，主要影响范围也一致。

今后的研究中，还需考虑基坑周边建筑物及其他荷载对基坑开挖引起地表沉降的影响，施工中应加强对临近建筑物变形和地表沉降的监测。