地鐵站深基坑穩定性監測與數值模擬分析

劉 菁，涂 敏，張向陽，羅光財，錢 龍

（1.安徽理工大學礦業工程學院，安徽 淮南 232001；2.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

隨著國內地下軌道交通的迅速發展，大跨度深基坑地鐵車站工程越來越多，工程施工對周邊環境的安全性及穩定性問題亟待解決［1－3］。國內外學者采用數值分析的方法研究深基坑工程中地下連續墻的變形及土方開挖過程對周圍建筑物及構筑物的影響。胡安峰等［4］基于ABAQUS模擬了某車站深基坑施工過程，證實了有限元模型能夠為基坑優化設計和施工提供科學依據。周勇等［5］、李宇杰等［6］對處于紅砂巖地層下深基坑的開挖支護做了詳細研究，利用Midas GTS／NX有限元軟件模擬出適合紅砂巖地層巖性條件下深基坑支護結構形式，有效減小了基坑周邊建筑物沉降。針對基坑緊鄰周邊建筑物工程，韓健勇等［7］利用Plaxis軟件建立了二維有限元模型，并選取更適用于基坑開挖問題的硬化土模型（HS模型）作為本構方程，得出土體在開挖卸荷過程中，沉降最大值發生在距圍護結構約0.6倍基坑開挖深度處。Shi等［8］采用數值模擬研究車站深基坑降水開挖變形過程及影響因素，分析不同預降水條件和不同止水帷幕深度對基坑的變形影響，指出滲流－應力在基坑降水開挖中具有明顯的耦合作用，支護結構應力集中位置和最大側向位移為0.5～0.6倍樁體開挖深度。為了快速推進工期并降低工程造價，學者們不斷提出新的支護技術和方法。Yin等［9］建立數值模型，將原有的樁錨梁（PAB）支護系統改進為樁錨肋梁（PARB）支護系統，驗證了數值計算模型的有效性和準確性，發現增加樁埋深對提高支護能力有較大作用，而改變腰梁尺寸對支護效果改善不明顯。莫品強等［10］基于彈性抗力法提出支護樁－冠梁－支撐變形協調的計算方法。陸培毅等［11］、葉任寒等［12］分析了工程監測數據，總結出深基坑圍護樁變形呈“倒三角”分布，最大位移出現在樁頂，需要對樁頂進行監測預警。周勇等［13］使用一樁兩用的新型支護結構，有效縮短工期并節約成本。竇波洋等［14］通過設計常物理試驗并結合數值模擬的方法發現圍護樁樁頂最大水平位移約為開挖深度的0.32%。張玉成等［15］、蔡建軍等［16］選用多種支護形式組合的設計方法，保證大型基坑工程建設的經濟性和安全性。Peng等［17］提出的互撐＋樁錨復合支護結構對相鄰車站軌道變形有較好的控制作用，并證實了系統模型的可靠性。Yang等［18］設計采用1 m厚地下連續墻和850SMW 工法樁＋多層內撐式組合結構，有效控制了軟土層深大基坑的變形。

為進一步研究深基坑圍護結構及其內支撐變形規律，本文以合肥地鐵要素大市場地鐵站深基坑工程為例，采用有限元軟件Midas GTS／NX模擬深基坑開挖支護過程，對照現場監測數據，分析深基坑變形規律，為其他類似基坑工程問題提供一定的參考。

1 工程概況

1.1 車站概況

要素大市場車站為合肥地鐵7號線一期工程第10座車站，位于徽州大道與南京路交叉口。車站外包長度為335.5 m，標準段跨度為44.7 m，覆土層厚度為2.40～4.39 m，底板埋深為16.79～19.74 m，車站主體基坑施工采用明挖順作法。車站西南象限為綠化帶及合肥要素大市場（地上7層鋼混結構），車站距其地下室入口約18.7 m；其余象限建筑物離車站較遠，不受基坑開挖影響。

1.2 支護結構方案

依據工程設計規范，該車站為地下二層14 m島式站臺，即是雙島五柱六跨鋼筋混凝土箱型框架結構形式。采用鉆孔灌注樁作為基坑的圍護結構，在基坑標準段內設置兩道鋼筋混凝土支撐進行支護。樁墻采用φ1 000＠1 300 mm的C40水下混凝土鉆孔灌注樁，樁長23.6～23.8 m，相鄰內支撐間隔約為9 m。

2 數值模擬有限元分析

2.1 數值模型建立及開挖工況設計

（1）數值模型幾何特征及邊界條件。依據土層地質條件，考慮開挖基坑相關影響因素，對土層分層進行適當簡化，運用Midas GTS／NX有限元軟件建立三維數值分析模型?？紤]模型邊界效應，數值模型尺寸取深基坑的3～5倍，具體尺寸為510 m×285 m×53 m（長×寬×高）。模型邊界約束采用軟件自有的固定邊界程序，同時為立柱添加抗扭轉約束，有效控制其在X和Y方向的位移，將要素大市場根據其整體質量等效替換為均布荷載施加在計算模型的上表面。網格劃分采用混合網格生成器，對開挖區進行六面體網格加密同時兼容四面體和五面體網格過渡，模型共計網格131 438個，節點100 265個。

（2）土體本構模型選擇?？紤]土體的多相性、散體性和自然變異性等特點，選擇Mohr－Coulomb本構模型并進行修正。修正Mohr－Coulomb本構模型可以體現不受壓縮屈服影響和剪脹破壞的雙硬化行為［19］，有效模擬了冪函數下彈塑性和非線性彈性模型的雙重組合，更適用于淤泥或砂土特性土層。依據Hooke定律，采用線彈性模型模擬基坑圍護結構、內支撐、工程立柱樁等構件。修正Mohr－Coulomb模型參數見表1。

表1 土層修正Mohr－Coulomb本構模型參數

（3）圍護結構模型確定?？紤]到鉆孔灌注樁形成的圍護結構與鋼筋混凝土內支撐節點的耦合作用，將鉆孔灌注樁轉換為受力相似的地連墻進行模擬計算［6］。根據剛度轉換原理，將直徑為2R、中心距為2R＋t的鉆孔灌注樁與長4R＋t的地連墻進行轉換。將最終模擬的墻厚記作H，混凝土彈性模量記作Ec，地連墻的厚度等效計算公式為

本車站基坑工程鉆孔灌注樁可等效為厚度1 000 mm的地下連續墻，建模時采用板單元模擬。鋼筋混凝土內支撐采用梁單元模擬。立柱樁直徑為800 mm，樁長25.6 m，標準段的樁間距為9 m，樁身剛度為3×107kPa，樁的容重為25 kN／m3。圖1為支護結構有限元模型。

圖1 支護結構有限元模型

（4）開挖工況設計。采用Midas GTS／NX特有的“施工階段建模助手”功能設置各開挖支護施工階段，開挖階段各工況如表2所示。

表2 施工工況表

2.2 模擬結果分析

2.2.1 地連墻水平位移分析

地連墻水平位移值與開挖深度呈正相關，最大位移量也隨著挖深逐漸下移。提取基坑的標準段所布觀測點ZQT35（監測點布設如圖7所示）處地連墻側向位移模擬值，繪制位移曲線如圖2。在主動土壓力和鋼筋混凝土內支撐的共同作用下，地下連續墻整體顯現“弓形”形式的位移變化?；酉蛳麻_挖至－1.5 m、－4.5 m、－7.0 m時，地下連墻水平位移的最大值分別為2.5 mm、7.3 mm、8.6 mm；隨著基坑向下開挖至－12.35 m，地下連續墻的墻頂位移在5.1 mm上下波動，水平位移最大值發生在墻頂以下11.9 m處，為13.9 mm，曲線呈現更為飽滿的“弓形”。繼續向下開挖至基底17.05 m時，地下連續墻在墻頂以下15 m達到最大水平位移22.3 mm，墻底位移最終達到19.8 mm。

圖2 各工況下地連墻水平位移曲線

2.2.2 基坑周邊地表沉降分析

提取基坑標準段觀測點DBC30處地表沉降值，繪出沉降曲線如圖3所示，可以看出在不同開挖工況下，基坑周邊地表沉降變化規律均大致呈現“勺形”。

圖3 DBC30斷面坑外地表沉降模擬結果

當基坑開挖至地表以下7 m、12.35 m及17.05 m時，基坑周邊地表最大沉降值分別發生在距離基坑邊緣11.2 m、13.5 m和12.5 m處，達到5.5 mm、9.3 mm及15.4 mm。沿著基坑邊緣向外，各開挖階段地表沉降值呈現先增大后減小的變化趨勢，同時發現在距離基坑約0.85倍基坑開挖深度處，地表沉降量取得最大值。開挖卸荷改變土體應力場導致土體變形，外側土體摩擦力與大剛度地連墻共同作用遏制基坑變形，從而影響基坑周邊地表沉降規律，開挖過程中圍護樁后的地表沉降量小于預警值可佐證基坑始終處于穩定狀態下開挖。

2.2.3 混凝土內支撐軸力分析

不同開挖階段下各道鋼筋混凝土支撐的軸力分布云圖如圖4所示?；幽Ｐ椭休S力最大的位置位于第二道鋼筋混凝土支撐，軸力最大值達到3 510 kN，橫撐的軸力相對于斜撐稍微偏大，且隨著鋼筋混凝土支撐的層層架設而逐漸降低。第二道支撐的及時架設使得第一道支撐軸力由峰值1 190 kN下降至985 kN，同時在同層支撐架設毗鄰支撐，其軸力也明顯減弱。第一道支撐的軸力最大值為1 190 kN，出現于架設始端，與監測值基本一致，第二層支撐架設后，軸力緩慢降低。統觀數值模擬時各道支撐賦存的軸力值，其最大值僅占設計軸力的20%～58%，遠小于預警值，基坑穩定性得到了保障。

在架設完第一道支撐繼續向下開挖時（－1.5～－7.0 m），第一道支撐受到的圍護墻后土壓力逐步增大，軸力增大速度與其變化規律和實測數據基本吻合。在土方開挖深度增大到12.35 m時，第二道支撐效應不明顯，致使第一道支撐軸力逐漸增加，但增加量只有5.05% ～6.59%，變化速率極小，最終在1 010 kN上下波動。

3 物理模型試驗及分析

為分析地鐵站深基坑逐步開挖過程中的基坑周邊土體水平位移程度、內部應力應變特征以及基坑周圍土體的沉降位移規律，利用室內物理模型試驗研究不同工況下排樁支護變形規律，分析基坑開挖邊緣土層內部應力應變特征。

3.1 建立相似模型

依照工程特點，為便于分析基坑開挖穩定性規律，取車站基坑標準段縱向剖面部分進行物理相似模型試驗模擬，結合工程現場實際和試驗平臺情況，確定幾何相似比為CL＝CL原∶CL模＝100∶1，尺寸為1.0 m×1.0 m×0.7 m（長×寬×高）。模型土參數選擇要同時考慮相似判據的約束、土層的物理性質和膠結劑的性質。依據相似準則，模型土的參數選擇主要考慮幾何尺寸、容重和模量的相互約束關系。

以石英砂為骨料，滑石粉和酪素粉為弱膠結劑，使相似土體的密度接近真實土體［14］。采用0.7 mm粗、1.5 cm×1.5 cm網孔的熱鍍鋅鋼絲網模擬圍護墻，采用孔徑為7 mm的UPVC管模擬基坑內支撐。

3.2 數據采集

壓力盒布設與應力監測采用振弦式土壓力盒配合YJZA－32智能數字靜態電阻應變儀采集開挖面兩側應力數據，并對數據進行實時采集，通過Origin數據處理軟件對模型監測數據進行后處理。

在模型試驗區域內，布置位移測點，采用數碼相機對模型同一位置、不同時刻的像素點進行對比，以觀測工作面回采過程中土體位移變化情況。在基坑研究區域加密位移測點數量，因此在模型上下部分共布置16排25列位移測點，其規格為3 cm×3 cm。

完成以上準備工作后，依次配制硬塑黏土（40 cm）、可塑黏土（5 cm）和雜填土（5 cm）。填土10 cm夯實一次，靜置1 d。在填土至25 cm安置鋼絲網（圍護結構），用兩腳圖釘固定，做好標記。安放壓力盒，主要沿著鋼絲網邊緣兩側，5 cm、10 cm、17 cm處各埋設一層。

3.3 試驗結果及分析

拆模養護完成后，連通數據收集儀器線路，構成回路并進行調零，相機固定進行實時監測。按照數值模擬設置的開挖工況，每完成一次開挖，靜置2 h后再進行下一步開挖；當開挖至－2 cm、－8 cm處模擬內支撐架設，每道支撐和鋼絲網用熱熔膠進行粘合，保證結點的耦合作用。整個過程中每隔2 s自動收集一次應變數據，應力應變位移貫穿整個試驗過程。

以基坑開挖面右側的側壁圍護結構為研究對象，圍護結構水平位移隨開挖過程的變化如圖5所示，水平位移曲線基本呈現“弓形”。

當開挖至第一道支撐架設前（開挖1），開挖深度為2 cm，這時基坑側壁水平位移較小，為0.2 mm；當開挖至第二道支撐架設之前（開挖3），開挖深度為8 cm，分層開挖的每個工況下基坑側壁水平位移緩慢增大，最大水平位移發生在開挖深度5.3 cm處，為0.78 mm；架設完第二道支撐后繼續向下開挖至深度為13 cm（開挖5），此時基坑側壁水平位移最大值下移至7.5cm深度處，達到1.4 mm；當開挖深度達到17 cm至基底（開挖7），最大位移發生在開挖深度10 cm處達到了1.8 mm；待土壓力釋放穩定后，基底側壁最終水平位移量保持在0.9 mm左右。

模型由開挖工況決定在基坑兩側均布設三層壓力盒，每層3個，間距為25 cm，總計18個壓力盒，分析基坑外側土體因回轉下沉而作用在圍護結構上的側向土壓力，取每層壓力盒變化值加權平均，其變化規律如圖6所示。隨著支撐的架設，邊緣土體的下沉得以控制，下沉量減小，壓力盒壓力值增量減小。

圖6 基坑側壁土壓力變化規律

4 現場監測方案及結果分析

4.1 監測方案

對地連墻、基坑周邊地表、建筑物和內支撐軸力等指標進行全過程監測量控，圍護墻側向位移和周邊地表沉降的累計絕對值均不超過30 mm，累計開挖深度不超過0.20%，變形速率不大于3 mm／d，支撐軸力不大于6 000 kN。監測點的布設見圖7。

圖7 基坑監測點平面布置

4.2 監測結果分析

（1）圍護墻頂水平位移。

深基坑中土體卸荷產生側向土壓力，導致土體產生水平位移。相較于其他監測指標，支護結構各部分與土體及外界因素的耦合作用造成了支護結構的變形，產生這種變形的本質是結構內力的變化與調整。圍護結構墻頂水平位移是基坑變形監測的重要內容之一。本文選擇了基坑周圍的4個監測點ZQT35、ZQT39、ZQT41和ZQT17的實測值進行研究，分析支護墻墻頂的水平位移值隨時間的變化（見圖8）。

圖8 墻頂水平位移隨時間的變化關系

由圖8可知，基坑內圍護墻頂的水平變形在不同的施工階段明顯不同。監測點ZQT35、ZQT39、ZQT41及ZQT17從近到遠布置在基坑標準段的中間位置，各監測點的最大水平位移值分別為7.4 mm、6.7 mm、5.2 mm、4.5 mm，說明基坑周圍土體水平位移分布不均衡，圍護墻頂位移最大值出現在基坑中部。各個監測點的位移量均遠小于控制值30 mm，表明施作冠梁和鋼筋混凝土內支撐對地下連續墻墻頂的水平移動起明顯約束作用，在開挖過程中基坑安全可控。

（2）基坑周邊地表沉降分析。

監測點DBC09－1、DBC12－2、DBC27－2、DBC30－3、DBC32－3及DBC35－3的地表沉降監測數據整理分析如圖9所示。隨著基坑不斷向下開挖，土體卸載量增大，地表沉降較快，監測點DBC35－3最大沉降量在14.3 mm上下波動，直至開挖至基底施作結構層時，基坑附近的地表沉降趨于穩定。

圖9 基坑周邊地表沉降監測數據

（3）軸力分析。

基坑架設兩道鋼筋混凝土支撐，軸力設計值均為6 000 kN。監測點ZCL10的兩道內支撐軸力隨時間的變化曲線如圖10所示。架設第一道鋼筋混凝土支撐后，由于混凝土硬化后收縮，初始壓應力為1 350 kN。第二道支撐架設完成后，很大程度上分擔了基坑土層卸載產生的壓力，第一支撐的軸力顯著下降。當基坑繼續開挖至地下12.35 m時，第二道支撐軸力達到了峰值3 680 kN，說明受力主要下移到基坑中下部，在開挖接近完成時支撐軸力變化緩慢且逐漸趨于穩定。

圖10 ZCL10處內支撐軸力曲線

5 結論

本文基于Midas GTSNX有限元軟件建立三維數值模型，借鑒相似模型試驗，結合現場實測，深入分析了排樁支護的水平位移、內支撐軸力以及基坑周圍地表沉降等指標的相關變化規律。結論如下：

（1）深基坑圍護結構的水平位移量與其開挖深度呈正相關，開挖中隨著內支撐的逐步架設，地下連續墻的水平位移曲線逐漸呈現出“弓形”的變化規律，最大位移的部位逐漸下移，在地表以下15 m處達到峰值22.3 mm。隨著基坑開挖深度加大，基坑周圍地表沉降累計值增加，逐漸呈現“勺形”的變化規律，在距基坑邊緣12.5 m處達到最大沉降值15.4 mm。

（2）第二道支撐的及時架設會使第一道支撐軸力由峰值1 190 kN下降至985 kN，土體開挖卸荷產生的土壓力重分配，由兩道支撐共同承擔。當開挖深度達到12.35 m時，第二層支撐承擔的軸力作用將不再明顯，而第一道支撐軸力增加，但軸力的增加速度下降，為5.05%～6.59%。

（3）采用物理相似試驗從宏觀上揭示了開挖深度與側向坑壁變形和壓力呈正相關變化，隨深度的增加，圍護墻最大水平位移量出現在模型開挖至10 cm處，達到1.8 mm，約為開挖深度的0.18%，基坑開挖時其側向土壓力變化趨勢與實際工況基本吻合。