数值分析不同围护墙刚度对地铁站深基坑影响

冀叶涛，沈慧，曹广勇

（1.中铁隧道局集团有限公司，安徽 合肥 230022；2.安徽建筑大学建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

1 引言

随着一线城市的快速发展，合肥城市交通也变得越来越拥堵。合肥地铁已经建设及规划了多条路线，地铁建设也需要更多的科学研究。地铁车站基坑开挖是施工和研究的重要一环，开挖时对合肥重要路面及周围环境的影响是我们关注的要点，所以在基坑开挖时对基坑周边的变形位移监测和研究，是对地铁施工的一个最大的安全保障。

本文以合肥市桐城路站深基坑为背景，结合施工现场实际监测数据与MIDAS GTS NX有限元软件数值模拟分析结果做对比。研究在基坑开挖过程中的整体变形趋势和支护体系的受力情况，并对比分析了改变围护结构刚度对基坑变形的影响。通过本文的研究将对地铁车站深基坑围护结构设计，提供十分重要的借鉴意义。

2 工程概况

2.1 基本信息

桐城路地铁车站沿桐城南路南北向布置，位于龙图路与龙川路之间。主体结构为地下两层两跨结构矩形框架结构。桐城路站为单层钢筋混凝土箱形框架结构，共设置有3个进出口。车站基坑长度为207m，标准段宽度为21m，标准段深度为17m。车站基坑标准段围护桩采用Φ800mm@1300mm钻孔灌注桩，基坑内支护体系采用钢筋混凝土支撑和钢管支撑，其中一道800mm×1000mm的钢筋混凝土支撑，两道Φ609×16mm钢管支撑。支撑平面布置详见图1。

图1 车站基坑支撑平面布置图

2.2 施工方案

车站基坑开挖方式采用边开挖边支护、分层分段的开挖方式，每层开挖深度为7.28m、5m、3.77m。围护桩施工完成后施加冠梁和混凝土支撑，然后进行土体的开挖。具体开挖步骤如表1。

基坑施工开挖步骤 表1

3 数值模拟

3.1 基本模拟假设

①基坑所在土体土层都是水平均匀分布的；

②材料为均质的且各项同性的；

③不考虑基坑降水对开挖的影响；

④忽略风荷载、雪荷载、地震荷载在基坑施工过程中的影响。

为了方便计算，利用等效刚度原理把钻孔灌注桩等效为地下连续墙进行分析，等效方程为：

b—桩的间距；

h—等效地下连续墙厚度；

d—钻孔灌注桩直径。

将数据带入上式中，计算可得等效后的地连墙厚度为600mm。

3.2 三维模型的建立

根据桐城路车站基坑现场施工数据，三维数值模型的长宽尺寸一般取车站深基坑开挖深度的3～5倍。故本次Midas GTS NX有限元三维模型尺寸为280m×100m×70m。土体的本构模型采用Mohr-Coulomb本构模型，地下连续墙采用2D板单元，混凝土支撑采用1 D弹性梁单元支撑，钢支撑采用1D桁架单元模拟；为了模拟路面及周围建筑物的实际荷载情况，在基坑四周地表设置超载20kPa。车站基坑整体模型及地连墙结构模型分别如图2、图3所示。各土层及其他材料参数如表2。

图2 基坑整体模型

图3 围护结构模型

4 模拟结果分析

本文提取分析现场施工监测数据与数值模拟结果进行拟合分析，得出的结果为数值模拟结果与现场监测数据基本相似，从而验证了三维建模的准确性。在这个基础上，进一步分析了改变围护结构刚度对基坑变形的影响。

4.1 围护结构水平位移分析

车站基坑土体开挖过程中造成围护结构两侧的土压力差，进而造成围护结构发生水平侧移。提取各个工况的围护结构水平侧移数据，并与现场监测数据做对比分析，如下图4、图5。

土层及其他材料参数 表2

图4 围护桩水平位移模拟结果

图5 围护桩水平位移模拟与监测对比

结果表明：

①车站基坑开挖引起地下连续墙结构的水平侧移呈现“抛物线形”。随着土体向下开挖变化趋势表现为先增大后减小。最大水平位移发生在第五次开挖，数值为23.3mm，最大变形中心位于地下12m左右的地方。

②通过实测值与模拟结果对比图可以看出，水平侧移的变化趋势基本上吻合。误差在允许范围之内，产生误差的原因可能是现场监测时，操作不当、数值模拟时参数设置等因素。说明本次数值模拟具备一定的可靠性。

4.2 地表沉降分析

通过在基坑施工过程中除了地下连续墙的水平侧移需要监测外，基坑周围的地表沉降也是车站基坑开挖过程中需要把控的重点。提取开挖工况下的基坑周边地表沉降数据，如图6。

图6 南端头井周边地表沉降曲线

结果表明：

①在车站基坑的开挖模拟过程中，地表沉降曲线表现为“勺子形”，变化趋势为先增大后减小的形式。

②车站基坑开挖过程中最大的沉降值为7.6mm距基坑边4～10m。对周围地表的影响一般在20m左右，而后随着距离的增大对地表沉降值基本上没有影响。

4.3 地连墙刚度对基坑变形影响

现研究地下连续墙刚度的改变对水平侧移的影响，在原来地下连续墙结构的基础上分别取0.5EI、2EI进行数值模拟对比分析。分别提取三种情况下开挖过程中围护结构的水平侧移和地表沉降变化曲线，如图7、图8。

结果表明：

①地下连续墙的刚度越低水平侧移越大，最大水平侧移的刚度为0.5EI情况下，侧移值为20.7mm，比原刚度情况下增加了1.2mm。最小水平侧移的刚度为2EI情况下，侧移值为18.3mm，比原刚度情况下减少了1.2mm。

②基坑周围地表沉降的最大值在0.5EI时，最大值为7.4mm，距离坑边4.5m处，比原刚度情况下增加了1.1mm。地表沉降最小值在2EI时，沉降值为5.9mm，比刚度情况下减少了0.4mm。

③可以看出适当的增加地下连续墙的刚度会降低围护结构的水平侧移和地表沉降值。整体工作井刚度的提升对安全施工是有效的。

图7 不同地连墙刚度下围护结构水平位移

图8 不同地连墙刚度下地表沉降曲线

5 结论

①围护结构的水平侧移变化曲线表现为“抛物线形”，随着土体开挖深度的增加变化趋势表现为先增大后减小。开挖完成后最大值处位于开挖深度的0.6倍左右。

②基坑周边地表的沉降呈现出“勺子形”，最大沉降位置位于距基坑边缘约4.4m处最大值为7.6mm。

③围护结构刚度对围护结构的水平侧移与地表沉降是有影响的，适当的增加围护结构的刚度，增加工作井整体的结构稳定性，从而降低了水平位移和地表沉降值。