某深基坑支护结构变形特性数值模拟研究*

罗光财，张 波，蒋 磊，王 侦

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 长沙 410004;2.国防科学技术大学， 湖南 长沙 410072)

某深基坑支护结构变形特性数值模拟研究*

罗光财1，张 波1，蒋 磊1，王 侦2

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 长沙 410004;2.国防科学技术大学， 湖南 长沙 410072)

以长沙地铁3号线为背景，针对火车站站深基坑开挖对围护桩水平位移及支撑轴力产生的作用，采用FLAC3D软件对分步开挖进行了数值模拟，分析了分层开挖下围护桩的侧移变形和复杂支撑结构轴力变化规律，并探讨了支撑安装对围护桩侧移的影响。研究表明：随着基坑开挖深度的增大，基坑维护结构的水平位移呈现两头小，中间大，呈“弓”型；在第二道支撑架设完成后，桩顶的水平位移趋于稳定，不再随开挖深度而变化；支撑在安装后轴力值有不断增大的趋势，而随着下一层支撑的施加，轴力逐渐稳定，并趋向平衡或有小幅度减少。

深基坑；支护结构；变形特性；数值模拟

0 引 言

地铁是解决城市交通拥堵问题和人们舒适出行的重要交通方式[1￣4]，北京、广州、上海、深圳等大城市的地铁已经运行多年。随着我国城市建设的快速发展，除北上广深等大城市外，其他城市的地铁建设也已大规模开展，长沙就在其列。目前长沙已开通1号、2号两条地铁线路，运营状况良好。地铁车站的修建产生了大量深基坑工程。地铁深基坑工程场地环境条件复杂，影响深基坑稳定性的因素众多，研究分析基坑围护结构和支撑结构是判断基坑是否安全的重要手段。基于基坑工程的地域性和复杂性，本文以长沙地铁3号线火车站站深基坑为背景，对深基坑分层开挖进行了三维动态数值模拟，分析了围护桩水平位移及支撑轴力变化状况，得到了一些有意义的结论，可为以后长沙地区基坑设计和施工提供参考。

1 工程概况

长沙火车站地处中心城区的繁华地带，东临火车站，西侧为住宅、商场等，目前站位处车流量大，人流量极大。车站设计范围为车站设计起点里程YCK23+440.920至设计终点里程YCK23+628.520，包括车站主体和出入口通道、风亭等设计。本车站为地下三层双柱岛式站台车站，车站外包总长187.6 m，标准段外包总宽23.7 m。车站埋深23.61 m，顶板覆土3.3 m。基坑维护结构采用围护桩+内支撑：其中第一道支撑均为钢筋混凝土支撑；已建2号线车站两侧第二、三、四道支撑；北侧盾构井及已建2号线北侧主体第二、三、四道支撑采用钢支撑，水平间距为3 m。南侧盾构井第一、三道为钢筋混凝土支撑，第二、四道为钢支撑。根据地质勘测结果，基坑土层从上到下依次为：杂填土、粉质粘土、圆砾、粉质粘土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。

2 计算模型的建立

整个基坑被2号线车站截断，分为南北两处基坑。为简化计算，选取车站南侧基坑为建模对象，基坑分为盾构井和一部分标准段，南侧基坑平面图形为一个不规则的多边形，平均长度为24 m ，平均宽度为28 m，开挖深度为24 m。根据圣维南原理和参考已有的研究成果，影响范围为3～5 倍开挖深度，整个模型的尺寸为 270 m×105 m×96 m。模型上表面为自由面，底面为固定约束，其余各表面添加法向约束。模型见图1。

开挖部分采用null模型。土体采用实体单元模拟，土体共分6层，本构模型采用理想弹塑性Mohr-Coulomb 模型，各计算参数由地质详勘报告及相关土工室内试验得到，见表1。钢筋混凝土支撑和钢支撑采用梁单元模拟，本构模型采用线弹性材料，模拟中不考虑梁单元自重，在设置钢支撑的同时对钢支撑施加预应力，支撑参数见表2。围护结构为灌注桩，根据刚性等效原则简化元，密度取为2200 kg/m3，弹性模量E取为 1.6 GPa，泊松比取为0.2。模型中不同结构类型的支护结构(包括内支撑和钻孔灌注桩)之间的连接通过共用节点的方法实现，限制6个方向的自由度，即认为不同类型的结构单元之间采用刚结，从而实现6个自由度上力的传递[6]。

图1 整体模型

表1 岩土物理力学参数

土层厚度/m重度/(kN·m-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)体积模量/MPa剪切模量/MPa填土5．217．510184．761．47粉质粘土3．418．630154．441．81圆砾3．419．5032175．3粉质粘土6．42030154．441．81强分化泥质砂岩722．535253022．5中风化泥质砂岩6825．53002815868．7

表2 内支撑结构参数

根据基坑开挖及支护的实际施工过程，采用分析步的方法进行分步开挖卸载、分步支护。第一步：施工灌注桩，并进行地应力平衡；第二步：安装第一层支撑结构至-1 m处，开挖土方3 m;第三步:开挖土方2 m；第四步：开挖土方2 m，并安装第二层支撑结构至-7 m处，及时对钢支撑施加预应力；第五步：开挖土方3 m；第六步：开挖土方2 m；第七步：开挖土方2 m,并安装第三层支撑结构至-14 m处；第八步：开挖土方3 m；第九步：开挖土方2 m；第十步：开挖土方2 m,并安装第二层支撑结构至-21 m处，及时对钢支撑施加预应力；第十一步：开挖土方至基坑底部。基坑整个支护结构如图2所示。

图2 支护结构

本文研究的对象为围护结构水平位移及支撑轴力变化，根据模拟基坑的几何形状，选取了代表性的盾构井长边中点及标准段1处作为围护结构水平位移监测对象，选取了标准段1处共4根钢筋混凝土支撑和盾构井处1处共2根钢支撑进行轴力监测，监测测点的分布情况见图3。

图3 监测点位布设位置

3 计算结果分析

3.1 围护结构水平位移分析

基坑监测两处围护桩水平位移沿墙身分布的曲线见图4～图5，基坑监测两处围护桩水平位移见图6～图7。从图4～图5中可以看出，基坑维护结构的水平位移呈现两头小，中间大，其原因为基坑开挖导致坑外土体对围护桩形成主动土压力，导致围护桩向基坑内移动。在刚开挖阶段，水平位移变化很小，几乎为零；随着开挖深度的加大，水平位移逐渐增多，桩体变形为“弓”型，最大位移点有下降的趋势。当基坑开挖最终完成时，桩体最大变形位移点出现，变形趋于稳定。

图4 盾构井长边中点截面围护结构

图5 标准段截面围护结构水平位移沿墙身分布曲线图

图6 盾构井围护桩最终水平位移云图

图7 标准段围护桩最终水平位移云图

从图4可以看出，首道支撑架设对盾构井中点围护桩桩顶的侧移约束有相当大的作用，第二道支撑架设前，桩顶的位移为1.3 mm,支护结构最大水平位移约为10.2 mm，发生部位位于桩体埋深约为10 m处，同时，围护桩水平位移变化的幅度较大，最大值从5.9 mm变到了10.2 mm，其原因为第二层支撑结构未及时架设，围护桩承受主动土压力负荷增大，导致水平位移变化较大。在第三道支撑假设前，桩顶位移变为1.9 mm,支护结构最大水平位移约为13.6 mm，发生部位位于桩体埋深约为11 m处。在第四道支撑架设前，桩顶位移为1.8 mm,支护结构最大水平位移约为17.3 mm，发生部位位于桩体埋深约为13 m处。开挖至基坑底部时，桩顶位移为1.7 mm，支护结构最大水平位移达到18.3 mm，发生部位位于桩体埋深约为14 m处。

从图5可以看出，对于标准段桩顶水平位移，由于基坑开挖后，第一层用钢筋混凝土支撑，导致土体向坑外移动。对比盾构井中点的水平位移，标准段每次支护引起围护桩最大水平位移点位置与盾构井中点处一致，基坑开挖完成时，最大水平位移都发生于桩体埋深约14 m处，但由于空间效应，盾构井长边长于标准段边，相对的支护约束作用弱，导致标准段每次支护引起围护桩最大水平位移值比盾构井处都小，基坑开挖完成时，最大水平位移值为16.1 mm。

结合盾构井中点和标准段支撑结构架设对围护桩的影响得出规律：

(1) 在第二道支撑架设后，桩顶的水平位移已趋于稳定；

(2) 当土方开挖至基坑底部及基坑开挖完成时，围护桩水平位移最大值点才出现，大约位于埋深0.58H处(H为基坑开挖深度)。

3.2 支撑结构轴力分析

由图8可知，在第一层混凝土支撑以后，其轴力值不断地增大，第三次开挖结束后，其轴力值达到最大值995.3 kN,随着坑内土体继续开挖，第二层支撑后，轴力值慢稳定下来，最后趋于平衡。同样，在第三层支撑没安装前，第二层混凝土监测点轴力值呈现上升趋势，直达最大值点，随着下一道支撑的安装，轴力值趋于稳定。第三层钢筋混凝土监测点轴力变化趋势亦同于前两层。随着基坑的开挖，最大轴力值2983.5 kN出现在基坑完成时第三层混凝土支撑布设点中。

图8 标准段混凝土支撑布设点开挖轴力

由图9可知，第四次开挖后，第二层布点钢支撑的轴力值为314 kN,较第二层混凝土支撑轴力值小许多，其原因是安装钢支撑的同时对钢支撑添加相应的预应力。跟混凝土支撑轴力变化情况一样，第二道钢支轴力值在下一道支撑架设后出现缓和并逐渐稳定现象。第二、四道钢支撑布点轴力随着开挖的进行，与混凝土布点轴力总体变化情况一致。

综上所述可得：

图9 钢支撑开挖轴力图

(1) 随着基坑开挖深度的加深，支撑的轴力逐渐变大，其中第二、三、四道支撑的轴力明显较大，这与围护结构水平位移量的变化趋势基本吻合，均呈现出两头小，中间大的趋势。

(2) 支撑轴力在施加后轴力值有不断增大的趋势，而随着下一层支撑的施加，轴力又慢慢稳定下来，最后趋向平衡或有小幅度减少。

4 结 论

基于FLAC3D有限差分软件，建立模拟基坑施工过程的三维计算模型，分析了复杂支撑结构下地铁车站深基坑开挖的工程实例，并进行了相关的变形和受力特性研究。主要结论如下:

(1) 在第二道支撑架设完成后，桩顶的水平位移趋于稳定，不再随开挖深度而变化。

(2) 随着基坑开挖深度的增大，基坑维护结构中间部分受到土体测压力较大(最大水平位移点也出现在第二、三道支撑之间)，易使围护结构变形严重，造成危害。建议在施工工程中，增强第二、三道支撑的刚度或加大支撑数量。

(3) 由于影响基坑稳定性的因素众多，如地下水位上升、施工扰动等，建议在施工过程中加强监测工作，及时根据监测数据修正施工方案，对于发现的问题，要及时提出解决方案，保证施工的正常进行和结构的安全性。

[1]刘 勇，冯 志，黄国超，等.北京地铁工程深基坑围护结构变形研究[J].地下空间与工程学报，2009，5(2):329￣335.

[2]杨有海,武进广.杭州地铁秋涛路车站深基坑支护结构性状分析[J].岩石力学与工程学报,2008,27(S2):3386￣3392.

[3]张光建，姚小波，胡 瑾.铁换乘车站基坑支撑轴力监测与数值模拟[J].岩土工程学报，2014，36(S2):455￣456.

[4]刘 杰，姚海林，任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J].岩土力学，2010，31(S2)：456￣457.

[5]吕彦菲.排桩内支撑支护基坑的变形研究及优化[D].北京:北京建筑大学，2013:24￣25.

湖南省住房和城乡建设厅重点支持项目(XJS201535).

2017￣01￣14)