粉土地区地铁明挖下沉段支护结构数值分析及优化设计

姬彦雷

（河南省煤田地质局物探测量队，河南 郑州450000）

本文围绕地铁深基坑支护结构变形展开研究[1]，采用有限差分数值方法对基坑倒换支撑进行优化设计并进行基坑稳定性分析[2～5]，通过对各工况下基坑变形模拟分析，以验证优化设计的合理性和可行性，以供工程施工参考。

1 工程概况

郑州某地铁线路包含明挖标准段和明挖下沉段及盾构区间、地铁车站等，地层以粉土、粉砂为主，其中下沉段原设计方案中施工倒换支撑选用φ609t=16 间距3.0m 布置，考虑到采用该型号倒换支撑容易造成施工空间狭小，施工极为不便，建议优化设计为φ200 t=5 钢管支撑1.5m 布置方案。本文以此为出发点，通过数值模拟分析验算优化后的基坑稳定性。其中冠梁顶面距地面距离h取2.0m，钢支撑预加轴力取0.5 倍标准值。

2 模型建立

结合实际工程情况及研究重点综合考虑，数值模型水平方向边界取1.5 倍基坑开挖深度，竖直方向边界取2.5 倍基坑开挖深度。基坑开挖深度26.95m，模型尺寸为建立模型的尺寸为99.3m（X）×6.0m（Y）×94.0m（Z），建立模型如图1 所示。

图1 下沉段基坑支护数值模型

3 参数选取

各土层计算参数如表1 所示。由于基坑开挖前地下水已降低至基坑底部0.5m 以下，并实时监测，因此本次数值分析不考虑地下水对基坑的影响。

表1 土层物理力学指标

4 计算结果分析

标准段基坑开挖采用分步开挖顺序进行，基坑边界2.0m 外考虑20kPa 均布荷载影响，主体结构采用顺作法施工，每层开挖至支撑位置下0.5m，进行内支撑施工。本文重点分析优化后的倒换支撑施工前后及盾构主体结构施工完成基坑稳定性，因此暂不考虑开挖过程基坑变形情况，倒换支撑施工各工况下围护结构水平变形及内支撑轴力大小计算结果如图2～6 所示，具体分析如下。

图2 工况1 坑底搅拌桩及C20 砼垫层施工完成

图2 中，围护桩水平位移变化最大值位于下部约1/3 位置，分别为3.10mm 和-2.55mm，远小于设计标准（≤0.2%H 且≤30mm）。内支撑轴力最大值为245.3kN，未超过设计轴力3108kN 的80%，因此基坑稳定。

图3 工况2 主体结构第一次施工完成

图3 中，基坑水平位移最大值位于基底坑角位置，分别为2.36mm 和-1.71mm，远小于设计标准（≤0.2%H 且≤30mm）。内支撑轴力最大值为451.3kN，未超过设计轴力3312kN 的80%，因此基坑稳定。

图4 工况3 主体结构第二次施工完成

图4 中，拆除第四道钢支撑，继续施工主体结构，基坑水平位移变化最大值位于基坑底部坑角位置，分别为2.39mm 和-1.66mm远小于设计标准（≤0.2%H 且≤30mm）。内支撑轴力最大值为239.9kN，未超过设计轴力3108kN 的80%，因此基坑稳定。

图5 工况4 主体结构施工完成

图6 工况5 回填施工完成

图5 中，施做倒换支撑，并拆除第三道钢支撑，继续施工主体结构至完成，并按设计要求进行基坑回填，基坑水平位移变化最大值仍位于基坑底部坑角位置，分别为2.34mm 和-1.55mm，远小于设计标准（≤0.2%H 且≤30mm）。内支撑轴力最大值为71.72kN，未超过设计轴力2521kN 的80%，因此基坑稳定。

图6 中，主体结构及回填全部完成，基坑水平位移变化最大值位于基坑顶部坑边位置，分别为1.92mm 和-1.71mm，远小于设计标准（≤0.2%H 且≤30mm）。倒换支撑轴力最大值为16.9kN，未超过设计轴力2754kN 的80%，因此基坑稳定，下一步可拆除倒换支撑，施工结束。

5 结论

通过上述分析，盾构下沉段采用φ200@1500 t=5 钢倒换支撑能够满足基坑变形设计要求，可确保整个施工过程基坑稳定，方案可行，且经过工程实际应用证明，该优化方案在保证基坑安全稳定的前提下方便了工程施工，有效的节约了施工成本，加快了施工进度，取得了较大的经济效益。