寒区土岩复合地层地铁车站基坑支护结构变形及优化研究

晁春波，祝清阳

（1.中铁隆工程集团有限公司，成都610000；2.新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐830047）

1 引言

目前，数值模拟是基坑支护优化研究的常用方法，通过调整数值模型参数来确认优化效果[1-8]。孙海霞等[9]利用ABAQUS和正交方法确定了桩径、桩间距和桩长对支护桩稳定性最大的因素。李明伟[10]利用ANSYS 改进了原本基坑设计中常用的“静态设计方法”。刘兴华[11]以位于通辽的万达广场基坑工程为实例，建立依托于数学模糊原理的综合评价模型，选出合适的支护方案。吕彦菲[12]利用FLAC 3D 对排桩的设计进行了优化，减少了基坑开挖对土体产生的影响。周爱其等[13]基于满应力设计基本思想，建立了优化基坑内部支护桩-内支部位的数学模型。Bolton[14]等利用模型实验，对土与围护结构之间的相互作用机理进行了研究。Laefer[15]利用模型实验研究了悬臂式支护结构中的柔性和刚性支挡结构对于坑外土体沉降、建筑物位移影响的区别。

乌鲁木齐具有典型的寒区环境，同时存有大量土岩复合地层，随着城市发展的不断推进，自治区首府将陆续出现大量地铁基坑开挖工程。为此，本文选取存在寒区土岩复合地层的乌鲁木齐地铁1 号线二道桥车站作为实例，建立寒区土岩复合地层下的基坑开挖有限元模型，对寒区土岩复合地层下的地铁车站基坑开挖支护优化进行研究。

2 工程概况

二道桥车站位于乌鲁木齐天山区繁华地带胜利路路中，附近建有大量高低层建筑物。土层被简化为厚度均匀的两层，分别为砂卵石和泥岩。砂卵石层大约为15 m 厚，以下土层均为泥岩。

3 有限元模型建立

二道桥车站有限元模型如图1所示，由5 069 个单元以及4 726 个节点组成。开挖深度为19.2 m，开挖宽度为21.6 m。为满足精度要求，模型宽度取140 m，高度取60 m。土层建模采用修正摩尔库伦模型，支护结构则采用弹性本构。

图1 二道桥车站有限元模型

4 基坑支护方案优化及分析

4.1 钢支撑位置影响

目前，基坑多采用简单的均匀间距的排列方式，缺乏钢支撑位置对支撑轴力影响的研究。

1）调整第一根钢支撑位置：原有模型前两道钢支撑间距为6 m，保持第二道和第三道钢支撑位置不变，将第一道钢支撑分别向下移动1 m、2 m、3 m 和4 m。5 种工况下，开挖完全后的3 道支撑所受的轴力对比如图2所示。

从图2 中可以看出，第一道钢支撑附近的土体产生了较大的向基坑内的变形，因此，使第二道钢支撑附近的土体产生了向坑外的变形，使钢支撑受到174 kN 的轴向拉力。

图2 各工况下3 道钢支撑轴力对比图（调整第一道钢支撑）

2）调整第二道钢支撑位置：将第二道钢支撑向上移动1 m和2 m、向下移动1 m 和2 m。各个工况下钢支撑所受的轴力对比如图3所示。

由图3 可以看出，第一道钢支撑所受轴力的改善效果不明显；工况四对于改善钢支撑所受轴力的效果较好，最大轴力降低了19.3%。

图3 各工况下3 道钢支撑轴力对比图（调整第二道钢支撑）

3）调整第三道钢支撑位置：将第三道钢支撑的位置分别向上移动1 m 和2 m、向下移动1 m 和2 m，各个工况下3 道支撑所受轴力的对比如图4所示。

图4 各工况下3 道钢支撑轴力对比图（调整第三道钢支撑）

由图4 可以看出，第一道钢支撑轴力在各个工况下变化都不大。调整第三道钢支撑位置后，工况二的改善效果最好，最大轴力降低了13.4%，但仍不及移动第二道钢支撑对最大轴力产生的19.3%的降低效果。

4.2 支撑材料组合方式对基坑变形的影响

尝试将钢支撑替换为混凝土支撑，研究不同材料组合下的基坑变形的变化。只用混凝土支撑代替3 道钢支撑中的一道。替换后的地表最大沉降及围护结构最大水平位移变化如图5所示。

图5 各工况下基坑周围地表最大沉降对比图

根据图5 将第二道钢支撑替换为混凝土支撑的优化效果最好。替换第二道、替换第一道和替换第三道分别使最大沉降值降低了44%、24%和11%。

可以看出，替换第三道和第二道的效果对改善围护结构水平位移的效果差别不大，但是替换第二道对比第一道和第三道在改善基坑周围土体沉降上有着相当明显的优势。建议只将第二道钢支撑替换为混凝土支撑。

5 结论

本文依托乌鲁木齐市二道桥地铁车站，建立了地铁车站基坑开挖的有限元模型，对寒区土岩复合地层地铁车站基坑开挖支护优化进行了研究，得出的结论如下：

1）使用MIDAS-GTS 可以有效地再现地铁车站基坑开挖过程。开挖常见现象，例如，地表土体沉降、地连墙位移和坑底隆起都可以很好地捕捉到。

2）基坑周围土体变形类似于正态分布的形状，基坑围护结构水平位移最终表现为抛物线式，最大水平位移出现在地连墙中间处。

3）调整钢支撑安装位置对轴力的优化效果：将中部钢支撑位置向下移动基坑深度的10.4%，最大支撑轴力降幅达19.3%，是最优的调整方案，且没有牺牲安全性。是合理的优化方案。

4）不同支撑材料组合下的基坑变形优化效果：只替换中部钢支撑对改善基坑周围土体沉降最优，沉降最大值降低了44%。在实际工程中为了方便施工建议只替换中部钢支撑为混凝土支撑。