地铁车站深基坑动态施工过程受力变形规律与数值分析

郑敏敏

(兰州信息科技学院，兰州 730000)

0 引 言

作为环境友好型交通出行方案，城市地铁的建设极大地改善了我国城市地面交通拥堵问题。在复杂场地条件下，对新建地铁车站深基坑的动态施工过程力学性能也提出了更高的要求[1-3]。在既有地铁车站附近，新建地铁车站是一项复杂的系统工程，施工风险很大[4-5]。因此，有必要开展针对性的研究，以确保新建地铁车站在动态施工过程中的安全与稳定。

数值模拟是研究深基坑动态施工过程力学和变形特性的重要方法[6-8]。为了解决现实的基坑稳定性问题，Lambe指出利用工程经验或数值分析方法可以更有效地解决这些问题[9]，工程经验方法具有高度的主观性，在理论基础上有一定的缺陷，不能准确反映复杂施工环境下深基坑动态施工过程中的力学效应，数值模拟方法则可以更加方便和准确地分析和预测此类问题[10-11]。谢秀栋等[12]对临近铁路的深大基坑工程施工建立三维数值模型，依据实际施工中的分层开挖、分块开挖工序，研究和分析深基坑施工与邻近铁路荷载的相互作用，揭示基坑动态施工过程中邻近铁路的深基坑工程变形特性。俞钦钦等[13]利用自行开发的分析软件F-RFPA2D对广州地铁2号线隧道施工引起的海珠广场地面沉降事故进行数值模拟分析，总结了沉降事故的原因。温淑荔[14]对上海地铁9号线宜山路地铁站承压含水层进行了数值模拟分析，提出几种可有效控制周围地面沉降和变形的对比方案。陈江等[15]以上海地铁10号线杭中路地铁站为研究背景，采用三维有限差分法对不同基坑围护结构深度的降水进行分析，进而优化基坑围护结构设计。

本文以武汉某地铁车站深基坑工程为背景，结合现场实测数据，建立三维有限元数值模型，分析邻近既有地铁条件下，新建地铁车站深基坑工程动态施工过程中的受力和变形特性，得出一些有益的结论。

1 项目概况

武汉市轨道交通16号线老关村站与6号线既有老关村站平行，为地下两层岛式换乘站。换乘站为地下两层岛式车站，为双柱三跨结构，车站主体结构全长227.30 m，宽22.20 m(标准断面)，有效站台长140 m，宽13 m。车站采用明挖法施工，有效站台中心里程处基坑深度16.68 m，车站顶部覆土3.2 m。主体围护结构采用地下连续墙与内支撑相结合的支撑形式：既有车站相邻侧及大里程端部地下连续墙厚度为1 000 mm，其余侧地下连续墙厚度为800 mm，墙顶设冠梁。钢筋混凝土支撑(第一道和第二道)和钢支架(第三道和第四道)作为水平支撑系统。见图1。

图1 新建地铁车站基坑平面布置图

2 三维数值模型的建立

2.1 数值模型的基本假设

新建地铁车站深基坑呈长条形，与既有地铁车站相互平行，施工现场环境随深基坑的开挖而发生变化，缺乏与现场土壤加固试验和现有车站主体结构相关的详细报告。为了使建立的模型更接近实际，且计算模型简化，提高计算效率，计算过程中对三维模型作出以下假设：

1)各土层厚度均匀且水平，厚度大小为各土层平均厚度。

2)忽略土层中的夹层薄层和透镜体的影响，认为同一土层为均质各向同性的土体。

3)计算时忽略地下水的渗流影响，保证开挖前，地下水已降低至开挖面以下2.0 m。

4)针对基坑施工过程，不考虑实际施工过程中分段开挖对基坑的影响，认为逐层开挖均为一次完成。

5)地下连续墙的物理力学性质沿墙的深度保持不变，周围土层的摩擦力系数不受深度的影响。

6)无论施工机械、建筑材料堆载和基坑周围淤泥土层的具体分布如何，沿基坑边缘周围20 m范围内均按20kPa的地面超载考虑。

2.2 建立三维数值模型

根据相关研究，基坑开挖和支护施工对基坑的影响深度一般为2H～4H(H为基坑开挖深度)，影响宽度一般为基坑开挖深度的3～5倍。因此，根据有效站台中心里程处基坑深度16.68 m，车站主体结构全长227.30 m，宽22.20 m，本文给出的整体模型尺寸为450 m×168 m×52 m，见图2。

图2 三维数值计算模型

本文采用修正的Mohr-Coulomb本构模型对土体的工程特性进行模拟计算。结合武汉地区深基坑工程经验和本项目的岩土工程勘察报告，认为基坑底部和两车站之间的土层加固将增强支护体系的承载能力，场地各层土的物理力学参数也将得到适当改善。场地各土层厚度及主要物理力学性质见表1，新建车站深基坑支护结构体系的本构参数见表2，既有车站结构梁板和柱的本构参数见表3。

表1 各土层主要物理力学参数

表2 新建车站基坑支护体系的本构参数

表3 既有车站结构的本构参数

2.3 动态施工过程模拟

根据该工程的施工方案，基坑内的土方开挖面超过每道内支撑轴线以下一定深度，混凝土支承为下方0.5 m，钢支撑为下方0.4 m。因此，建立新建车站深基坑动态施工模拟过程，见表4。

表4 新建车站深基坑动态施工过程

3 数值模拟结果

3.1 地下连续墙的水平位移

为便于叙述，规定X轴方向为基坑的长度方向，Y轴方向为基坑的宽度方向，两者均为水平方向；Z轴方向为基坑的深度方向，向上为正。

图3和图4分别为不同动态施工工况条件下地下连续墙在Y方向和X方向的水平位移云图。

图3 不同动态施工工况条件下地下连续墙在Y方向上的水平位移云图

图4 不同动态施工工况条件下地下连续墙在X方向上的水平位移云图

从图3和图4中可以看出，在基坑的动态施工过程中，地下连续墙的变形逐渐向基坑内部发展；基坑两侧地下连续墙的最大水平位移出现在基坑的中部，随着基坑开挖越深，最大水平位移值位置沿地下连续墙向下逐渐移动；基坑长边地下连续墙的变形比基坑短边地下连续墙的变形更为明显；基坑长边的最大变形量接近短边最大变形的两倍。

图5为在不同动态施工工况条件下，地下连续墙在不同位置处的水平位移曲线。结合图1和图5可以看出，当基坑开挖到基坑底部时，基坑东侧长边中点位置截面的墙体最大水平位移约为38 mm；基坑北侧短边中点位置截面墙体最大水平位移约为20 mm；在基坑北端头井与既有地铁车站临近的地下连续墙，墙体的最大水平位移约为25 mm；以上所有最大水平位移均出现在墙顶以下2/3墙体深度位置。

图5 地下连续墙的水平位移曲线

以上分析结果表明，基坑北侧短边中点位置截面墙体变形最小；其次为基坑北端头井与既有地铁车站临近的地下连续墙，基坑东侧长边中点位置截面的墙体的变形量最大，长边中点位置是深基坑动态施工开挖过程中围护结构变形监测的关键区域。

3.2 内支撑轴向力

根据数值模拟得到的计算结果，选择基坑标准段断面、基坑北端头井与既有地铁车站临近位置，分析各内支撑轴向力随动态施工过程的变化情况，统计结果见表5。

从表5中的数据可以看出，不同位置处的第一道支撑轴力随着基坑开挖进程的不断发展而逐渐减小，基坑开挖到基底时，标准断面水平支撑和基坑北端头井水平斜撑的轴向力非常接近，约为100 kN。另外，按第一道支撑轴力大小排序，为标准断面水平支撑最大，基坑北端头井水平支撑最小，基坑北端头井水平斜撑介于两者之间，表明基坑端头的空间效应更加明显，有利于改善第一道支撑的应力；基坑不同位置处的第二道支撑、第三道支撑的轴力随动态施工的发展而上下波动，最终趋于稳定；从工况6至工况7，第四道支撑的轴向力出现明显的增加。总体上可以发现，设置第二道和第四道支撑后，可有效减小各自上一道支撑的轴力。

表5 动态施工过程中各内支撑轴力变化

3.3 数值模拟与实测值的对比分析

采用数值模拟结果与现场实测对比分析的方法，对地铁车站深基坑动态施工过程中的应力特征和变形规律进行分析。将监测点DBC7-2、DBC7-3对应的地下连续墙水平位移提取出来，结合监测数据得到的地下连续墙变形曲线比较，见图6。

从图6中可以看出，数值模拟结果与现场实测值之间存在一定的差异，特别DBC7-2对应的地下连续墙的水平位移差异尤为明显。但总体而言，数值计算结果可较好地揭示地下连续墙的水平位移变化规律，这与实际观测情况基本一致。

图6 地下连续墙水平位移数值计算结果与现场实测值对比

表6为各施工阶段各道支撑轴力数值模拟计算值与现场实测值之间的比较。从表6可以看出，当基坑开挖至第一道支撑时(工况3)，数值模拟计算表明支撑处于受压状态，但实际上支撑承受着72.12 kN的张力；在后续施工工况条件下，第一道、第三道支撑轴力实测值均大于数值模拟计算值，同时第二道、第四道支撑轴力实测值均小于数值模拟计算值。

综合图6和表6可知，由于支撑轴力不仅是由基坑本身土体开挖和卸载引起的，而且还受施工荷载和现场施工条件的动态变化的影响。因此，在各个动态施工过程中，实际复杂多变的施工环境下，支撑表现出与数值模拟计算不同的应力和变形特性。

表6 动态施工过程中各内支撑轴力数值模拟计算值与现场实测值比较

图7为新建地铁车站基坑地面沉降测量点的布置；图8为基坑开挖到底部时，标准断面(监测点DBC7-3至监测点DBC7-5断面)的地表沉降数值模拟计算曲线；图9为新建地铁车站基坑标准断面同一侧的地表沉降实测值变化。

图7 新建地铁车站基坑地面沉降测量点的布置

图8 标准断面地表沉降模拟计算值

图9 新建地铁车站基坑标准断面同一侧的地表沉降变化

从图8中可以看出，三维模拟计算的最终地表沉降曲线呈“沟槽”状。从图9中可以看出，计算的地表沉降量明显大于现场实测值，这是因为数值模拟与现实条件之间，两者的卸载条件和地层条件之间有所不同所致。数值模拟计算最大地表沉降出现在距基坑边缘约13 m的位置处，沉降值大小为-10.3 mm，该位置实测沉降最大值的位置相近。

4 结 论

运用三维数值模拟手段研究地铁深基坑施工动态过程，分析了支护结构的受力和变形特性，包括地下连续墙的水平位移、内支撑的轴力以及周边地面沉降。同时，结合现场实测数据对比数值计算的异同，结论如下：

1)地下连续墙的变形随着开挖进程的持续进行而逐渐向基坑内部发展；基坑两侧地下连续墙的最大水平位移位于基坑中部，且最大水平位移位置随着动态施工过程的发展，沿墙逐渐下移，在墙顶以下2/3墙高的深度处稳定。基坑长边处的地下连续墙变形比短边更为明显，长边地下连续墙的最大变形量是短边地下连续墙最大变形量的两倍。

2)基坑北侧短边中部地下连续墙变形最小，其次是基坑北端头井与既有地铁车站临近的地下连续墙变形，基坑长边中部地下连续墙变形最大。在深基坑开挖施工中，基坑长边中部区域应作为监测基坑支护结构变形的关键区域。

3)不同位置的第一道支撑轴向力随着动态施工过程的不断发展而逐渐减小，基坑端头的空间效应更加明显，有利于改善第一道支撑的应力；随着动态施工条件的发展，第二道支撑、第三道支撑的轴力在上下波动，最终趋于稳定，设置第二道支撑和第四道支撑后，可有效减小各自上一道支撑的轴力；基坑开挖过程中，第二道支撑的轴力最大，应加强该道支撑的监测。

4)地表沉降的影响范围随开挖的不断深入而逐渐扩大，其沉降值不断增加。对比现场实测数据与模拟计算结果可知，数值模拟能够较好地反映基坑的一般力学特性，在一定程度上反映了施工过程的进展。然而，由于数值模拟方法不能充分、实时地响应现场实际施工环境的动态变化，因此仍然具有局限性。