基于有限元分析地铁深基坑开挖周围地表沉降

杨永强 YANG Yong-qiang；辛永江 XIN Yong-jiang；张永波 ZHANG Yong-bo

（①西藏大学，拉萨 850000；②中交第三航务工程局有限公司，上海 200000）

0 引言

20世纪80年代以来我国常住人口城镇化率已经高达到60%以上，城市面对人口的大量涌入就需要面对较严重的城市群常有的环境问题、住房问题和交通问题。其中交通问题的解决上，立体的交通体系有效的利用到有限的地面空间，是改善城市交通的常见方式。地铁作为公共交通同时又是地下交通设施在现如今大城市交通中承担着重要的通勤任务，更是拥有着减少污染，节约能源，减少干扰等优点。但是在地铁施工的建设中不可避免地会对周围原有地建筑物，地下管线等原有设施造成影响，因此对于地铁基坑开挖过程中进行风险评价影响因素分析是必要的工作。

针对地铁车站基坑开挖的变形沉降规律，国内外学者以数值模拟、现场监测等多种手段进行了研究。张建全等对北京不同区域明挖基坑地表沉降变化进行了研究，进行了四点折线法地表沉降预测研究。张连泽等运用FLAC对成都地铁麓山站明挖基坑进行了三维模拟。刘杰等对地铁围护结构变形监测结果进行了分析。涂儒杰等运用Midas/GTS NX软件对临近地铁工程的基坑开挖进行了安全评估。谭维佳等运用FLCA分析同一个基坑对不同建筑物影响的不同。王立新等运用Midas/GTS NX软件研究了基坑卸载对临近地铁车站影响的数值模拟。

鉴于此，为获得合肥地区地层地铁基坑开挖对邻近的周围土体影响规律，以合肥地铁五号线某车站为例，建立地铁开挖的三维数值模拟，总结不同施工阶段下基坑周围土体位移变化趋势，围护结构变形规律，以及围护结构的变化产生的相对应变化。为合肥地区地铁施工提供相对应的参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

本文选取合肥地铁5号线的某地铁车站为研究对象，该地铁车站车站主体总长276.4m。标准段总宽度20.7m。站地面起伏较小，地面标高约22.64-24.03m；站台中心处顶板覆土约4.05m。标准段底板埋深约15.6-17.6m；小里程端头井覆土约3.1m，埋深约16.97m，大里程端头井覆土约4.2m，埋深约18.90m。坑底位于⑥2层黏土层，围护结构选用1m直径间距1.4m的钻孔灌注桩，桩长约22.0-23.0m沿基坑深度方向设置三道支撑，第一道为钢筋混凝土支撑，第二第三道支撑为钢支撑。车站采用明挖法施工。平面示意图如图1所示，基坑支护结构剖面图如图2所示。

图1 新建地铁开挖基坑与原有房屋建筑平面位置图

图2 基坑支护结构剖面图

1.2 工程地质概况

该地铁拟建区域属二级阶地地貌类型，该地区覆盖层为第四纪人工堆积层、第四纪晚更新世冲洪积层。区域地层自上而下为：第一层素填土（①，厚度0.3-2m）以黏性土为主，含少量碎石、砖渣等杂物，局部表层为混凝土地面或沥青路面；第二层黏土（⑥1具有微膨胀性，厚度2-4m）；第三层黏土（⑥2具有微膨胀性，厚度30-40m）。根据结构与性状特征分为三层，层面起伏较小，地层地质层级如图2所示。

1.3 水文条件

场地施工影响深度范围内地下水主要赋存于人工填土中，以上层滞水为主水量微弱。测得水位埋深为1.80-4.20m，平均埋深为2.65m。地下水径流形式主要为孔隙间渗流。黏土层和全风化岩富水性及透水性较差，连通性差，因此地下水径流一般。

2 有限元模型建立与施工工况模拟

2.1 模型建立

采用有限元软件Midas GTS NX建立模型，考虑实际基坑的长宽比过大，不方便结果的查看以及模型的建立，故只截取标准段及相连接端头井基坑建立三维模型。充分考虑基坑内土体开挖卸荷，导致基坑临近土体应力重分布从而产生的位移将基坑工程影响分区为主要影响区（Ⅰ）、次要影响区（Ⅱ）和可能影响区（Ⅲ）。基坑工程开挖影响分区如图4所示，H为基坑开挖深度。充分考虑基坑施工对周边的影响范围，同时为消除边界效应影响并考虑计算精度，基坑外围土体取值不小于3倍基坑开挖深度，深度方向取值不小于2倍的围护桩桩底嵌入深度。最终本模型构建模型尺寸为：长236m、宽130m、深46m，基坑开挖深16m、标准段宽20.7m，共计277063个单元，1900036个节点。建立整体基坑开挖模型如图3所示。

图3 有限元基坑开挖模型

图4 基坑工程影响分区

为满足模型的建立以及顺利计算在建模过程中进行了一定处理：①考虑到地层起伏较小，且对结果影响较小，为方便建模取标准段断面地层等厚处理。②本模型建立时忽略周围建筑物产生的荷载。

模型中涉及到的各地层土体物理力学参数、围护结构参数均参考设计图纸以及地质勘探报告并结合以往工程设计经验确定。地层土体力学参数祥见表1、围护结构单元参数详见表2。土体的计算模型选用修正摩尔-库伦本构模型，冠梁、围檩、钢支撑选用一维梁单元模拟，挡土墙选用板单元模拟，材料本构选用的为弹性模型。将围护桩根据抗弯刚度相等原则等效为一定厚度地下连续墙模拟围护桩。计算公式如下：

表1 土体物理力学参数

表2 模型结构单元参数

其中，D—围护桩直径；t—围护桩净间距；h—地下连续墙的等效厚度。

边界条件设定：模型上表面为地表，设定为自由边界；侧面均存在实体设定为位移边界限制水平移动；底面设定为固定边界限制垂直移动以及水平移动，模型整体受重力影响。

2.2 施工过程模拟

运用Midas GTS NX软件能够实现在不同的施工阶段进行模拟分析，得到各个施工阶段的土体位移云图、以及围护结构不同施工阶段的位移云图。为求最大化的贴合实际施工状况分析时所设定工况结合了施工实际情况以及设计主体标准段施工工序。设定分析工况如下：

第一阶段：初始阶段，模拟土体固结边界条件产生的位移清零。

第二阶段：围护桩施工完成。

第三阶段：开挖至-2m处第一道支撑在-1m处，冠梁、挡土墙、第一道支撑施工完后成。

第四阶段：开挖至-4m处。

第五阶段：开挖至-6m处。

第六阶段：开挖至-8m处第二道支撑位于-7.1m。第二道支撑施工完成。

第七阶段：开挖至-11m处。

第八阶段：开挖至-14m处第三道支撑位于-12.7m。第三道支撑施工完成。

第九阶段：开挖至基坑设计深度-16m处。

3 数值模拟分析

3.1 数值模拟分析

通过上述参数以及模型，对基坑开挖和支护进行数值分析运算，开挖至基坑底部整体竖直位移变形如图5所示。土体在开挖过程中原有的土体平衡状态被打破，围护结构被周围土体向基坑内推动，逐渐向基坑内产生位移，如图5最终呈现出基坑周围沉降，基坑底部隆起。

图5 开挖至坑底竖向位移云图

随着施工过程的变化基坑外地表沉降情况如图6所示，基坑开挖引起的地表沉降曲线可以分为三角形和凹槽型两种形态，当基坑采用悬臂式支护或支护结构变形较大时，最大的沉降值在基坑边缘处，沉降曲线会呈现出三角形分布，在工况二和工况三情况下便呈现出三角形分布。随着开挖深度的不断增大，开挖围护结构由挡土墙部分开挖至围护桩内支撑结构范围内，支护结构外部的土体与围护桩接触产生的摩擦力一定程度上限制了土体下沉，地表沉降明显呈凹槽形分布且伴随着基坑开挖深度变大沉降量也不断变大。所呈现出的不同施工阶段地表沉降与图4基坑开挖影响分区相符合，最大的沉降范围约为2倍的基坑开挖深度，3倍基坑开挖范围外基坑沉降影响较小为可能影响区。最大沉降数值在坑壁后一倍基坑开挖深度之间，整体呈现出凹槽型分布。

图6 不同施工阶段下地表沉降图

围护结构的侧向位移具有明显的伴随开挖深度变化变形的特点，这是由于伴随基坑开挖深度加深，基坑内外的土压力差之间增加，达到基坑开挖底部时围护结构侧向变形随之达到最大值。当进行到工况七时围护结构侧向变形出现两个峰值，这两个变形的峰值分别在地下-4m附近和-10m附近。而在-7.1m第二道支撑位置，围护结构侧向变形明显减小。整个基坑开挖过程中最大的围护结构侧向位移位于-10m左右第二道支撑与第三道支撑之间。不同施工阶段围护结构侧向位移如图7所示。

图7 不同施工阶段围护结构侧向位移

3.2 围护结构的变化对坑外地表沉降分析

基坑开挖对周围地表沉降影响因素有很多，在基坑围护结构设计中，围护桩的入土深度、围护桩桩径、以及围护桩桩间距、围护结构刚度、支撑的安放位置等。本文针对其中的桩长、桩径、桩间距进行敏感性分析探索基坑支护结构设计的合理设计。

运用控制变量法在桩间距、桩长保持不变的情况下调整桩直径，分别模拟不同间距状况下的基坑周围沉降变化。分别采取1.2m直径、1m设计直径、0.8m直径进行分析并将这几种情况分析结果进行绘图对比，结果图如图8所示，桩径0.8m沉降值略大于1.0m设计桩径的沉降值而1.2m桩径沉降值小于1.0m设计桩径沉降值且大于0.8m桩径沉降值，呈现出桩径减小沉降值增大的负相关。

图8 不同桩径下坑外地表沉降图

运用相同的方法同时也进行了桩间距、桩长在其它变量不变情况下的周围沉降情况分析，结果如图9和图10所示。桩径、间距保持设计尺寸，桩间距分别采用1.0m间距、1.2m间距、1.4m设计间距、1.6m间距从图中可以看出围护桩间距的变化几乎并没有影响到周围地表沉降的数值。桩径和桩间距保持设计尺寸不变的同时桩长分别采用20m、22m、25m周围地表沉降数值有着明显的变化。通过图表对比可以明显得出桩长、桩径、桩间距在支护结构设计中对周围地表沉降的敏感性，影响周围土体沉降的主次因素排序为桩长、桩径、桩间距。

图9 不同桩长下坑外地表沉降图

图10 不同桩间距下坑外地表沉降图

4 结论

托于合肥地铁五号线车站基坑工程，通过运用Midas GTS NX软件对基坑开挖过程中以及不同围护结构下产生的地表沉降进行分析得到以下结论：

①该支护体系下基坑开挖最大沉降数值为12.6mm，满足设计相关规定的一级安全等级地面最大沉降量≤0.15%H（H为基坑深度），影响范围也符合安全等级规定，表明支护结构的设计是安全可靠的。

②桩径，桩长，桩间距，对基坑外地表沉降的影响主次因素结果中，桩长的影响最大，桩径其次，桩间距影响最小。在以后的施工设计中可以在安全的前提下优先优化桩长。

③开挖后的土体呈现出由周围向基坑底部移动的趋势，基坑底部存在隆起，施工过程中基坑周边堆载会加剧隆起，引起基坑失稳。