地铁深基坑偏载对围护结构受力的影响分析

文/曹成 广州地铁设计研究院有限公司 广东广州 510000

随着我国地铁建设的飞速发展，施工事故频发成为人们重点关注的对象。在这些事故中，地铁车站基坑事故发生频率明显偏高。鉴于此，本研究以地铁车站偏载深基坑项目工程为例，对偏载深基坑围护结构的受力和变形展开了深入研究与探讨，希望对今后此类基坑的设计能提供有效借鉴。

1、工程概况

某地铁车站东北侧为高边坡，经实测，车站范围地面高程44.17～58.36m之间，高差约14.19m，西侧略低，东侧略高，最低处为东北侧为向下的高边坡，坡下标高为44.17m。在车站东北象限存在13m深的谷地，在谷地中有一栋4层砖混结构的老年公寓。该车站端头井基坑距离谷地边缘仅3.2m，谷地影响车站东北侧60多米范围，车站与谷地平面、剖面关系详见图1和图2。

图1 车站与东北侧谷地平面关系图

图2 车站与东北侧谷地剖面位置图

2、偏载深基坑对围护结构的受力影响

2.1 岩土层参数

根据本项目工程的详细勘察报告，地铁车站岩土层从上到下的分布主要是素填土、粉质黏土、全风化板岩、强风化板岩。

2.2 土体本构模型的选取

为准确研究谷地侧车站基坑开挖支护方案，拟对车站基坑开挖施工进行三维数值计算分析，分析软件采用有限元软件。

由于土的性质的复杂性，至今提出的土的本构模型有多种，但每种本构模型都是反映土的某一类或几类现象，因此每种本构模型都拥有其适用范围和局限性。总体来说，土的本构模型可分为以下几类：线弹性模型、非线性弹性模型、理想弹塑性模型、硬化类弹塑性模型。

用硬化类模型模拟出的坑后往往是沉降，不会出现坑后地表过大隆起，且能同时获得较为满意的围护结构侧向变形，硬化类模型适合于较准确的基坑工程分析。综上，本次数值模拟土体本构模型采用修正摩尔库伦模型，其模型参数取值如下表1。

2.3 模型的建立与参数选取

车站长226m，标准段宽21.3m，车站埋深17.5m。模型尺寸规模按车站外扩4.5H（H：基坑开挖深度）控制，即沿车站X、Y向各扩大了80m，深度方向（Z向）扩展了3H，故：模型规模为385m×181m×70m。

网格采用计算精度较高的“六面体+四面体”混合网格，网格在基坑范围内进行了加密，尺寸为2m，外围网格尺寸约为7m，整个模型共计52824个节点，78278个单元,166740个自由度。

土体采用实体单元模拟，混凝土支撑和钢管支撑采用梁单元模拟，钻孔灌注桩按照等刚度原则等效为地连墙采用板单元模拟，地连墙与土体之间的滑移采用界面单元模拟。模型底部设置为固定约束，四周设置为水平单向约束，上表面为自由边界，在车站东北侧按实际情况建立谷地，谷地表面自由边界。施加重力荷载及地面超载。按照基坑实际开挖顺序定义施工工况，通过钝化和激活单元实现基坑开挖过程的模拟。模型如下图3所示。

图3 车站基坑及边坡现状计算模型

2.4 数值模拟结果与分析

2.4.1 工况1（不采取任何边坡支护措施）

由于基坑边距离谷地边仅3.2m，该侧土体无法提供基坑支撑传过来的水平力，土体发生大变形，计算不收敛。

2.4.2 工况2（采取边坡加强的措施）

边坡做钢筋混凝土挡墙支护，并在挡墙和原边坡间高差区的填土，据此激活挡墙的结构作用，围护结构的位移结果如下图4～图7。

图4 车站围护桩X向变形云图

图5 车站围护桩Y向变形云图

图6 车站标准段围护桩Y向变形

表1 修正摩尔库伦模型模型参数值

表2 基坑围护桩水平变形数据（车站基坑开挖到坑底）

图7 车站靠近谷地侧围护桩Y向变形

基坑开挖后，围护桩发生了水平变形，围护桩测斜曲线随着基坑开挖深度的增加曲率不断加大。图4～图7所示的为基坑开挖到坑底的时刻，围护桩的位移图，在靠近坑底位置附近围护桩的水平变形值达到最大。变形趋势符合实测规律。

由于车站基坑东北侧谷地的存在，基坑在此范围呈现出偏压基坑特征，围护桩有跟随土体向谷地方向位移的趋势，变形上呈现出空间作用的现象，东南侧围护桩水平位移大，东北侧围护桩整体向北移动。具体围护桩的水平位移数值汇总于下表2：

3、数值模拟计算结论

该站紧邻13m深的谷地，考虑预先采用边坡支护的方案，并针对此方案进行了三维有限元模拟分析，通过对围护结构变形分析得出如下结论：

（1）基坑开挖后，产生卸荷作用，周边土体有向坑内流入趋势，土体产生变形，谷地侧变形尤其明显；

（2）围护桩也收到谷地影响，围护桩水平变形最大值出现在谷地位置，测斜最大值也高于其它地段；

综上，当基坑处于此种偏载地势时，必须提前采用边坡支护措施，以消除偏载的不利影响，否则基坑处于不安全状态；且即便采用支护措施后，偏载处的受力仍是薄弱环节，设计和施工尤其应引起足够重视。

4、结论及建议

根据地形，当基坑两侧形成非对称偏压基坑时，则其受力与通常的基坑有所不同，无法按照平面应变问题进行二维分析。在实际的项目设计过程中，应针对工程的特点，重点研究非对称荷载的偏压基坑围护结构，并且进行三维分析，最终确定车站基坑的支护方案，确保基坑安全。

曹成(1985.1) 男 江西九江人 本科 工程师轨道交通结构设计

身份证号码：36042119850109241X