地铁车站风亭异型基坑开挖支护结构变形数值分析

傅一栋 （中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

0 引言

基坑工程作为一种临时工程，涉及众多学科专业，包括岩土、结构、流体等领域。针对地铁车站基坑施工稳定安全问题，当前国内外学者做了大量研究，包括理论分析、数据监测、施工控制技术、缩尺模型方法等。

国外对地铁基坑变形安全问题关注较早，Goh（1994）为解决围护结构刚度及嵌入深度取值问题，引入若干参数，提出计算基坑隆起变形的新方法；Hsieh（1998）对大量基坑监测曲线进行回归分析，提出采用正态分布概率函数拟合手段预测新基坑变形的方法；Long（2001）收集并整理了大量深基坑监测数据，针对不同地质环境与特点进行分类总结，分析了不同基坑开挖深度、阳角系数、支撑刚度下等的基坑变形规律；Osman（2006）通过不排水直剪试验获得土体强度参数，依据塑性理论，提出基坑支护设计与变形预测方法。

国内有关地铁基坑工程的研究起步虽稍晚，经多年努力探索亦取得不少成果。刘兴旺（1999）等对上海、杭州等软土地区多个地铁基坑工程进行分析研究，发现基坑围护结构水平位移峰值为开挖深度的0.2%～0.9%范围，且软土环境下峰值点邻近基底；唐孟雄（1996）等推导了基坑围护结构侧移变形公式，同时根据围护结构与地表沉降的关系推导地表沉降公式；李淑（2012）等对北京数十个地铁基坑数据进行分析研究，研究发现基坑底边沉降峰值主要受基坑开挖深度与围护结构插入比影响，且大致分布于开挖深度的0.034%～0.316%，同时受时间与空间的影响。

目前关于地铁基坑的研究对象多为规则基坑，对于异型基坑结构的研究尚不多见，由于基坑变形具有明显的时空效应，前者所研究的技术成果难以直接应用于后者。结合合肥某地铁车站风亭异型基坑工程，对该基坑异型特点及施工难点进行介绍，同时基于数值模拟结合工程监测手段，以风亭异型基坑围护结构侧移变形、邻近基坑地表沉降及内支撑轴力为指标，开展地铁车站风亭异型基坑开挖支护结构的稳定性研究。

1 工程概况

1.1 车站结构

1.1.1 主体结构

合肥某地铁车站为地下岛式结构，主体长度200.6m，采用明挖顺作法施工，车站标准段结构宽度20.7m，顶板覆土2.9～3.2m，中心里程底板埋深约16.2m，采用地下二层单柱双跨钢筋混凝土框架结构，共计两层，单层12m。

1.1.2 风亭异型平面结构

车站设有1、2号两处风亭，均位于车站西侧。其中2号风亭为常规狭长形。1号风亭原设计为矩形基坑，后为避免西南侧路缘小区消防泵房，1号风亭基坑结构改设为不规则形状，其中基坑西侧宽度28.3m，东侧41.5m，南侧35.5m，北侧45.5m，由于东西侧基坑宽度差异较大，施工支护设计和施工安全环境较常规矩形基坑更为复杂危险。

2 工程难点

2.1 施工区内管线密布，情况复杂

由于车站位于黄山路与潜山路交叉口，地下管线较多，分布复杂，施工区范围内包括电力管线、源水管、给水管、电信、燃气、雨水、污水等重要管线纵横交错。

2.2 交通环境与邻近建筑群复杂

车站位于两相交城市主干道潜山路与黄山路下。潜山路为南北方向城市主干道，交通繁忙，规划红线宽45m，现状为双向4车道主道，两合肥市轨道交通3号线工程侧各设2个非机动车道，由绿化带隔离。黄山路为东西方向道路，规划红线宽55m，现状为双向6车道主道，与潜山路十字相交，车站周边建筑物较多。

图1 异型风亭结构平面

图2 交通环境图

2.3 地质条件

车站所处地段为二级阶地，岗地地貌，地形起伏，地面高程39.17～41.13m。车站场地土层自上而下主要为人工填筑土、黏土、全风化泥质岩、强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩，风化岩遇积水易淤泥化，降低施工安全性。地质岩性参数见表1。

3 异型风亭施工措施

3.1 开挖与支护方案

3.1.1 开挖方案

异型风亭采用一道混凝土支撑与一道钢支撑。先行完成冠梁和第一道混凝土支撑施工，后进行土方开挖施工。

基坑开挖分三个阶段：第一阶段开挖西侧支撑区域内土方，该范围分两个区段，采用两台套机械同时开挖，平行作业。横向先开挖中间土体，后开挖两侧土，反压土和坡道护坡采用喷浆防护；第二阶段开挖中间部分土方（无支撑部分），采用三台PC220型挖掘机同时作业，两台挖机在基坑内将土方分层分台阶开挖，并将开挖出的土方翻至基坑侧面，由基坑上方挖掘机装车，外运，剩余土体在台阶法无法转出时，采用长臂挖机开挖出基坑，小挖机在基坑内配合；第三阶段将东侧支撑区域内土方开挖完毕。具体分为两层开挖：

①第一层土方开挖

各区域由1台PC220挖掘机开挖，开挖的土体由挖掘机倒到基坑外后由装车外运。

②第二层土方开挖

待第一层土方开挖完毕后，采用拉马槽的方式进入基坑深处，再开挖两侧反压土，反压土开挖完成后立即架设钢支撑。

土体开挖平面及断面详见图3、图4。

图3 土体开挖平面示意

图4 土体开挖剖面示意

3.1.2 支护方案

1号异型风亭基坑围护结构采用φ 600@900钻孔灌注桩内支撑采用首道混凝土支撑+第二道钢支撑，其中标准段开挖深度约10.31m，围护桩插入深度约5.40m；集水井下沉段开挖深度约13.26m，围护桩插入深度约5.45m。

基坑支护详见图5。

图5 第二道基坑支护图

3.2 施工质量控制

异型风亭邻近主体结构，施工过程应严格把控围护结构、支撑体系、土方开挖的施工质量，具体控制方法如下。

①基坑开挖过程及时进行基坑支护，减少暴露时间，同时基坑围护结构与内支撑施工严格按照规范进行，过程中做好对围护桩与钢、混凝土结构支撑质量检查工作。

②异型基坑开挖严格执行“分块、分层、平衡、限时”四个要点，施工遵循“竖向分层、纵向分段、先支后挖”的原则，确保基坑开挖安全，减少和控制地面沉降变形；在施工监控数据指导下，基坑施工要求“快挖土、快支撑、快回筑”，以减少基坑暴露时间，以免风化岩遇水软化，降低基坑稳定性。此外，各施工工序编制明确，施工程序和操作细则严格按规程操作。

地层力学参数表 表1

③风亭异型基坑设有一道混凝土支撑与一道钢支撑，钢支撑架设过程，应对混凝土支撑进行质量检查，由于钢支撑存在预应力，混凝土支撑质量缺陷对其轴力影响更为明显。如围护结构或周边环境变形值较大（出现报警值），立即对变形大的测点左右约一倍坑深影响范围内的围护结构加强支撑，根据文献[5]，附加比设计规定的轴力再大10%的支撑力。基坑开挖到设计标高后立即施作垫层封闭基底，尽快地按设计浇筑混凝土结构，建立永久的平衡；减少基坑暴露时间。

4 基坑开挖支护结构受力变形特性数值分析

4.1 数值建模

采用大型有限元软件Midas GTS对此异型风亭基坑开挖过程进行三维数值模拟分析。基于圣维南原理及现有研究文献表明，基坑开挖对周围土体的影响范围大致为3～5倍开挖宽度，3倍开挖深度。取土体边界长为340m，宽为180m，深度为75m。整体模型网格如图5。边界条件为土体模型侧面约束法向位移，底部约束为三个方向的位移。

围护桩采用等刚度原则等效为地下连续墙。

土的本构模型采用修正摩尔—库伦模型，围护桩，钢支撑，混凝土支撑，格构柱，钢围檩，抗拔桩，主体结构中的柱均采用梁单元模拟，挡土墙和主体结构采用板单元来模拟，土体采用实体单元模拟。

4.2 计算工况

针对本工程开挖方案，在不影响计算结果的前提下对其进行简化，将其开挖方式简化为分层开挖，以研究围护结构的变形规律，具体模拟工况见表2。

计算模拟工况 表2

4.3 计算结果分析

由于异型风亭施工前车站主体结构已施工完成，重点对风亭结构本身的变形状态进行分析。图6～图8分别为异型风亭开挖完成时围护结构侧移、岩土沉降及支撑体系轴力计算结果。

图6 有限元模型

图7 围护结构侧移云图

图8 土体沉降云图

图9 内支撑轴力云图

计算结果表明，基坑开挖结束后，围护桩变形呈两端小、中部大趋势，其中南北侧桩侧移值较西侧桩侧移稍大，峰值为6.5mm，深度位于5m处；地表沉降位移随远离基坑距离先增大后减小趋势，且南、北、西侧工后沉降计算值相差不大，峰值为5mm，峰值点距离基坑约5m；内支撑轴力结果表明，混凝土支撑内力较钢支撑稍小，约28，钢支撑轴力峰值约48t，计算变形与内力均低于设计许用值。认为采用的支护方案与施工工艺能够满足施工安全与稳定性要求。

5 实施效果

5.1 监测数据分析

工程监测对象的选择应满足工程支护结构安全和周边环境保护的要求。史河路站主体结构的监测对象有：围护桩测斜、内支撑轴力及周边地表沉降。

由于异型风亭基坑深度较大且周边环境复杂，施工监测工作十分重要。基坑北侧埋设桩测斜管4个（编号ZQT-6～ZQT-9），南侧埋设桩测斜管4个（编号ZQT-1～ZQT-4），西侧一个埋设桩测斜管1个（编号ZQT-5）；地表沉降监测点为西南侧布设3处（编号DBC-1～DBC-3）、西侧 2处（编号 DBC-4～DBC-5）、北侧 4处（编号 DBC-6～DBC-9），其中每处沉降监测位置取5个测点。对关键节点和深度较大位置钢支撑进行应力监测，风亭东侧邻近车站主体，无监测点。监测频率选择1次/(1～3天)，若出现监测数据异常（如变形、应力急剧增大）或趋近预警值时，增大监测频率。异型风亭测点布置详见图10。

异型风亭监测点布设较多，数据分析选取基坑南、北及西侧各一处（该侧位移监测位置）：围护桩侧移测点取ZQT-2、ZQT-5与ZQT-8；沉降测点取DBC-2、DBC-5与DBC-8。

围护桩测点 ZQT-2、ZQT-5与ZQT-8监测数据见图10～图12。

图10 异型风亭监测点布置平面图

图11 测点ZQT-5桩体侧移曲线

图12 测点DBC-2桩体侧移曲线

监测结果表明，施工开挖阶段围护桩侧移变形呈两头小，中部大趋势，随基坑开挖深度增大，变形整体增大而趋势基本不变，峰值点位于基坑开挖深度2/5处（6m深处），其中累计侧移值结果：测点 ZQT-2为 4.3mm，ZQT-5为3.2mm，ZQT-8为4.4mm，变形远小于设计许用值；沉降位移在开挖前期无明显规律，且位移值总体较小，后期邻近基坑测点处位移明显增大，远离基坑侧位移骤减，累计侧移值结果：测点DBC-2为 6.8mm，DBC-5为 6.9mm，DBC-8为6.8mm，变形远小于设计许用值。综上，采用设计方案有效减小基坑开挖对邻近环境的不利影响。

图13 测点DBC-5桩体侧移曲线

图14 测点DBC-8桩体侧移曲线

5.2 监测与计算数据比对

模拟、监测结果对比显示，工后围护桩侧移变形及邻近基坑地表沉降峰值基本吻合，针对异型基坑所设计的围护结构与施工方法，数值模拟可以较好的预测工后结构变形状态，且根据监测结果，各数据值均远小于允许值，结构有较高的安全储备。

6 结论

以合肥某异型风亭基坑工程为依托，介绍了围护-支撑结构设计与施工方案。并采用有限元模拟结合工程监测手段，对设计围护-支撑结构受力变形特性进行研究，结论如下：

数值分析与实测数据对比表 表3

基坑开挖阶段围护结构变形两头相对中部较小，峰值点位于基坑挖深约2/5处（6m/14m），累计侧移峰值小于5mm；开挖前期沉降位移无明显规律，后随基坑开挖位移明显增大，远离基坑侧位移骤减，累计位移峰值小于7mm；工后支撑内力，混凝土撑轴力较钢支撑小，约为1:2关系。