地铁车站基坑围护结构变形过大的实测与计算

徐长胜

（苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019）

随着城市化建设进程的不断加快，地铁工程建设规模逐渐扩大，而在地铁车站基坑结构施工中，施工区域地质条件比较复杂，并且周边建筑工程比较多，须结合实际情况选择适宜的围护结构，低于基坑外侧土体压力。对围护结构变形进行有效控制，应对施工现场实际情况进行分析，同时应用有限元分析软件对不同工况进行模拟分析，并采用参数反演计算方式，确定围护结构变形因素，为制定控制策略提供可靠依据，妥善解决围护结构变形问题。

1 地铁车站深基坑变形机理

1.1 基坑底部土体回弹

在基坑施工中，基坑底部土体隆起的原因主要包括以下2点：第一，在基坑开挖施工中，底部结构土体发生竖向卸载，进而造成土体结构原有应力状态发生变化，土体结构不断向上移动。第二，在基坑内土体开挖施工中，基坑内外部可形成压力差，在围护结构外侧，土体结构在自身重量的影响下逐渐移动至基坑内，进而造成土体结构向上移动。

1.2 围护结构侧移

在基坑开挖施工中，围护结构内部土体压力逐渐卸去，此时即可逐渐形成高度差以及土压力差，围护结构上部外侧可受到主动土压力的影响，在压力差作用下，土体压力平衡受到破坏，进而造成围护结构发生变形或者位移。在基坑开挖施工中，如果应用内支撑系统施工方案，则首先完成基坑施工，然后再进行内支撑施工，在支撑结构施工前，围护结构即可发生变形，与此同时，在土压力以及支撑预应力的影响下，围护结构可发生少量变形[1]。

1.3 基坑外围地表沉降

在地铁车站深基坑开挖施工中，围护结构周边土体会逐渐形成塑性区，并且流动比较大，另外，深基坑内外土体结构之间可形成压力差，因此，围护结构外侧的土体会逐渐流动至基坑内以及基坑底部，同时，由于基坑外土体不断减少，因此会发生地表沉降。在深基坑开挖施工前，进行围护结构施工时，由于地层会发生位移，因此也会造成地表沉降[2]。

2 工程概况

该文选择某地铁车站作为研究对象，该车站位于市政道路工程交叉口位置，车站基坑周边为商业建筑以及配套项目通过对该车站结构设计方案进行分析，为地下2层岛式站台车站，全长为220m。根据现场勘查，施工区域覆土厚度为3.6m左右，为丘陵台地地貌，地形平台，标高为43.50m~44.20m。该地铁车站施工区域西侧地势平坦，而南侧则为剥蚀残丘。在该地铁车站基坑施工中，选用明挖顺作法，基坑开挖深度在16.98m~18.93m，在围护结构施工中，联合应用800mm厚连续墙以及3道内支撑。在连续墙施工中，嵌固深度为8.0m，根据现场勘查，基坑底部土体包括可塑状砂质黏性土、硬塑状残积砂质黏性土以及砾质黏性土。在该地铁车站基坑开挖施工中，随着开挖施工的不断进行，当开挖至基坑底部时，对连续墙测斜以及地面沉降进行测量和数值分析，均处于正常范围内，没有超过警戒值。

随着基坑开挖施工的不断进行，在开挖达到9轴时，开挖深度为9.5m，通过对墙体测斜进行分析，已达到报警值，当开挖深度达到11.5m时，位移量达到42.3mm。在基坑围护结构施工中，在第2道钢支撑安装施工完成后，再进行第4层土方开挖，与此同时，基坑围护结构变形量不断增加，根据现场测量，水平位移量达到50mm。为保证现场施工安全性，在基坑结构垫层顶面以上1.7m位置进行第3道钢支撑施工，墙体结构稳定性显著提升，在开挖深度15.5m位置，墙体位移量达52.9mm。在该地铁车站基坑结构后续开挖施工中，严格依据工程设计要求对施工现场进行严格控制，而墙体测斜变形量依然比较大，甚至达到48mm。

3 数值模拟方法介绍

3.1 计算参数

在选择初始计算参数时，须参考施工场地地质勘查报告。根据现场勘查，施工区域各个岩土层以及材料参数见表1。

表1 岩土物理力学参数值

3.2 计算模型

在计算模型创建中，假设方案如下：1）计算模型沿地铁车站纵向，选择1m，在具体的计算分析中，可将车站作为弹性地基结构以上的平面框架结构。2）在该工程基坑开挖施工中，采用明挖顺做施工方案，无须考虑基坑围护结构和主体结构之间的共同作用。如果应用盖挖逆作施工方案，则应重点考虑基坑围护结构和主体结构之间的共同作用，在二者之间，可采用连杆连接，连杆结构只需承受压力作用，当连杆处于受拉状态时，即可自动失效。3）对于地层反力，可采用地层弹簧模拟法，弹簧刚度为基床系数和分段长度之间的乘积。对于地层弹簧，可设置为仅受力，而如果处于受拉状态，则为失效。4）侧向土压力的计算，可应用肯朗、库伦计算公式，分开计算土压力与水压力，还需考虑地面承重或坑角等不规则形状对土压力的影响。在该工程施工中，应用明挖顺作法，可利用主动土压力，而如果采用盖挖逆作施工方案，可应用刚度较大的顶板以及楼板替代临时支撑结构，因此，在基坑开挖施工中，墙体水平位移比较小，对于墙背土压力，可作为静止土压力。

在该工程计算分析中，计算模型创建形式以及荷载分布情况如图1所示。在该计算分析中，选用有限元分析软件MIDAS-CIVIL[3]。

图1 车站围护模型及荷载

在计算模型模拟分析过程中，应注意以下几点：1）在墙背全高范围以及基坑开挖侧底部，均须安装土弹簧，并应用节点弹性支承结构。2）在临时钢支撑施工中，要求应用等效刚度，对于相应节点位置，须通过节点弹性支承。3）在施工过程中，应分隔开挖步以及施工步。在开挖步施工中，模型结构单元保持不变，在开挖深度范围内，要求在地连墙内侧应用压弹簧，同时还应施加开挖施工中所产生的侧向水土压力。模拟步骤如图2。

图2 主要模拟步骤

3.3 根据实测数据反演计算参数

在岩土工程施工中，在对施工区域进行地质勘查后，勘查报告中一般均会有基床系数Kh以及Kv，为了保证计算结果的准确性，在基坑开挖施工中，可根据开挖施工阶段监测数据进行调整。

通过对施工现场实际情况进行分析，在地铁车站基坑施工中，1~8轴开挖基本正常，并且施工阶段天气良好，严格依据设计方案组织施工。通过对施工现场实测数据以及地质勘查报告进行分析，对各层土基床系数进行多次试算，结果如表2所示。

表2 岩土物理力学参数反演值

在施工现场测量中，最大位移量为24mm，而在计算分析中，最大位移为22.5mm，差异比较小。由此可见，基床系数取值与实际数值比较接近，计算结果可靠性比较强。正常工况下支撑轴力变化情况如表3所示，通过对表3进行分析，对连续墙最大弯矩标准值进行计算，结果为481kN·m，同时，各道支撑的轴力变化均匀性比较强，钢支撑结构之间的距离为3m，最大轴力标准值计算结果为677×3=2031kN。

表3 正常工况下支撑轴力变化情况

4 围护结构变形过大工况计算

通过对施工现场实际情况进行分析，在基坑开挖施工达到9轴时发生暴雨，施工单位为加快施工进度，没有及时架设第2道支撑，进而造成围护结构位移量增加至52.9mm。另外，通过对施工现场进行质量检查，首道混凝土支撑结构已出现裂缝。对此，须重新进行建模和模拟计算[4]，如表4所示。

表4 计算工况

综合考虑软化因素，土体参数发生较大变化，因此须进行标贯试验，据此确定，地基土弹簧刚度，如图3所示。

图3 基坑软化后地基参数

在针对该工程进行建模分析时，对于基坑围护结构内外侧，均设置压弹簧，据此对基坑开挖施工中侧向土压力变化情况进行模拟，在基坑开挖施工、支撑结构假设以及基坑土体软化因素的影响下，围护结构侧向支撑刚度发生变化，因此，围护结构侧向土压力也会发生较大变化。

报警工况支撑轴力变化情况如表5所示，通过对表5进行分析，在建模计算中，最大位移量为47.8mm，而连续墙最大弯矩标准值为1012kN·m。另外，各道支撑的轴力差异比较大，在第1道混凝土支撑结构施工中，支撑结构间距为9m，轴力增加至4860kN，而在第2道钢支撑施工中，基坑土体软化，因此，第1道混凝土支撑轴力有所减少。在第2、3道钢支撑施工中，钢支撑结构之间的距离为3m，最大轴力标准值的计算结果为1181×3=3543kN。

表5 报警工况支撑轴力变化情况

5 结果分析

5.1 数值模拟分析结果

根据建模分析，最大水平位移量为48mm。与施工现场测量值之间的差异比较小。另外，连续墙最大弯矩标准值、钢支撑的最大轴力标准值均逐渐增加。

5.2 常规方法验算的不足

在该工程施工中，基坑底部土体软化，并且支撑结构刚度显著降低，如果采用常规计算方式往往很难模拟分析，很难对特殊工况下的支护结构位移量和内力进行准确计算。

6 总结

综上所述，该文主要结合实例，对地铁车站基坑围护结构变形过大的情况进行实测和计算分析。在该工程支护结构施工中，结合明挖技术、地下连续墙技术以及内支撑支护形式，对数值进行反演计算，同时根据施工现场实际情况，综合考虑不同施工阶段支撑架设因素以及坑底地质环境因素，并与实际测量结果进行对比分析，进而准确反应围护结构内力变形实际情况，通过计算分析，即可确定围护结构变形过大的原因，并进行施工模拟和安全性评价，进而为其他项目提供可靠依据。