地铁深基坑施工过程受力变形规律与数值分析

臧士文 郑 伟

（1.深圳地铁建设集团有限公司，广东 深圳 518000；2.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

在地铁基坑开挖过程中，基坑支护结构以及周围土体的应力应变均具有一定的时空演变效应，在不同的开挖进程中，支护结构的受力与变形、土体的沉降均受到多种因素的影响，为解决地铁深基坑动态施工多次对支护结构的受力、变形以及土体的沉降影响程度，该文尝试采用数值模拟手段，通过建立三维有限元分析模拟，以深圳地铁钟屋站为研究对象，分析基坑开挖进程中，地下连续墙的水平位移、结构内支撑的轴力以及基坑周围地表的沉降情况，研究成果可为地铁深大基坑的支护和监测决策提供参考。

1 工程概况

深圳市城市轨道交通12号线工程钟屋站为第18个车站，车站为地下2层2岛3线式站台，站台宽9 m，有效站台长度140 m，车站内含有2条机场东出入段线，车站总长595.8 m。车站顶板到地表的垂直距离为3.23 m~4.46 m，标准段结构外轮廓宽度为30.300 m~32.454 m。

车站采用明挖法与半铺盖法相互结合的施工方法，基坑的深度为21.0m，竖向设置3道支撑。车站主体结构主要位于全风化混合花岗岩，不需要爆破，采用机械开挖施工。车站主体围护结构形式为嵌固封闭式地下连续墙，墙厚度为800mm。在竖向方向上设置3道支撑，第一道支撑材质为钢筋混凝土，支撑的宽度为800mm，高度为1000mm，第二道和第三道内支撑均为钢结构，均采用外直径为609mm，厚度为16mm，材质为Q235B的钢管。钟屋站标准段支护结构剖面如图1所示。

图1 钟屋站标准段支护结构剖面（单位：mm）

2 场区工程地质条件

该场地内各土层的地层特征见表1。

表1 车站基坑开挖影响范围内的地层特征

3 地铁车站深基坑动态施工数值模型的建立

基坑开挖范围内地层的修正摩尔库伦模型参数见表2。

表2 车站基坑开挖影响范围内的地层渗透系数

计算时，地下连续墙采用板单元模拟，泊松比取为0.2，弹性模量为3.1×10kN/m，钢支撑和钢围檩采用桁架单元模拟，泊松比取为0.3，弹性模量为2.0×10kN/m，钢筋混凝土支撑采用梁单元模拟，泊松比取为0.2，弹性模量为3.0×10kN/m。基深为21.0m，地下连续墙嵌固深度为10m，因此在重力方向上取整体模型的尺寸为50m，在水平横向方向上，基坑的外轮廓宽度为30.000m，因此整体模型分别向基坑外轮廓宽度外扩50m，取为130m，在水平纵向方向上，车站的外包长度为595.8m，因此整体模型分别先基坑外轮廓长度外扩约50m，取整数为700m。在边界的设定上，基坑整体模型的地表为自由边界，无约束；整体模型的底部边界为固定边界；整体模型的四周可以产生重力方向的移动，但无水平方向的位移。建立的隧道-土体整体模型如图2所示。为模拟基坑动态施工过程，计算步骤与开挖步骤一致。钟屋站基坑开挖方式为分层放坡开挖，分层情况具体如下。第一层：开挖至冠梁、支撑梁底部，开挖层高1.70m；第二层：待冠梁、支撑梁达到设计强度后，纵向从端头放坡，开挖层高4 m；第三层：继续开挖层高3.9 m至第一道钢支撑底部0.5 m，安装第一道钢支撑；第四层：开挖4.8m，至第二道钢支撑底部0.5 m，安装第二道钢支撑；第五层：继续开挖至基底以上50cm的位置，层高4.7m；第六层：基坑底部0.5 m范围内，采用人工开挖。

图2 地铁车站深基坑整体模型

4 地铁车站深基坑动态施工数值模拟结果分析

4.1 地铁车站深基坑地下连续墙变形规律

图3为开挖到不同层级条件下地铁车站深基坑中部标准断面地下连续墙的位移变化情况。从图中可以看出，在开挖至第四层级时，地下连续墙的实测值和模拟值均沿着墙体竖向整体成“弓”状，且实测值最大位移值为24.20mm，最大位移发生的位置为基坑当前第四层级的开挖面上，模拟值最大位移值为16.35mm，比实测值小7.85mm，最大位移发生位置也为第四层级的开挖面上；在开挖到第五层级时，地下连续墙的实测值和模拟值均沿着墙体竖向整体成“弓”状，且实测最大位移值为34.00mm，最大位移发生的位置为基坑当前第五层级的开挖面上，模拟最大位移值为23.25mm，比实测值小10.75mm，最大位移发生位置也为第五层级的开挖面上；同样地，在开挖到基坑底部时，地下连续墙的实测值和模拟值均沿着墙体竖向整体成“弓”状，最大位移发生位置也为基坑底部的开挖面上。由此可知，地下连续墙的变形实测值曲线与变形模拟值曲线的演变规律基本相同，均呈现出“弓”状，且最大位移发生的位置为当前开挖面上，并且水平位移峰值随着开挖深度的增加而不断增大。

图3 不同层级开挖条件下基坑地下连续墙的变形实测值与变形模拟值对比

4.2 地铁车站深基坑支撑结构受力

表3为开挖到不同层级条件下地铁车站深基坑中部标准断面内支撑轴力变化情况。从表3中可以看出，在施作完成第一道钢筋混凝土支撑后，其受力为压力，轴力值大小为185.34kN，而开挖到第3层次后，由于完成了第二道钢支撑的布设，使第一道钢筋混凝土支撑的轴力逐步被分担，因此其内力有所减少，轴力值大小为157.34kN，在地铁车站深基坑不断开挖的过程中，第一道钢筋混凝土支撑的轴力都是不断减少的；第二道钢支撑的布设是在基坑开挖到第3层级后开始的，随着开挖至第4层级，轴力增加了近一倍，随后在地铁车站深基坑的不断开挖过程中，第二道钢支撑的轴力变化相对平稳；第三道内支撑自架设后，其轴力从937.45 kN先减少到739.56 kN，后略为增加到778.45 kN。

表3 开挖到不同层级条件下地铁车站深基坑中部标准断面内支撑轴力变化

4.3 地铁车站深基坑地表沉降规律

图4为开挖到不同层级条件下地铁车站深基坑中部标准断面地表沉降变化情况。从图4中可以看出，任意一个开挖层级条件下，基坑地表沉降曲线均呈现出“勺”状凹陷的变化规律，且地表沉降的最大值随着基坑开挖的不断深入而有所增加，开挖第一层级时，地表沉降最大值为1.8mm，而在开挖至第三层级时，地表沉降最大值为10.00mm，在开挖至基坑底部时，地表沉降最大值为16.05mm，所有开挖层级条件下，距离基坑边线约为5 m的地方存在沉降峰值，且在所有开挖层级下，地表距离基坑约1倍基坑深度后其沉降值小于3 mm，表明基坑动态施工对地表沉降的影响在1倍基坑范围内，在施工过程中应该加强该范围内的地表和建筑物位移的监测。

图4 开挖到不同层级条件下地表沉降变化曲线

5 结论

该文以深圳市城市轨道交通12号线工程钟屋站为研究对象，运用有限元模拟手段对地铁车站深基坑动态施工过程进行计算，得出以下3个结论：1）地下连续墙的变形实测值曲线与变形模拟值曲线的演变规律基本相同，均呈现出“弓”状，且最大位移发生的位置为当前开挖面上，并且水平位移峰值随着开挖深度的增加而不断增大2）在地铁车站深基坑动态开挖过程中，第一道钢筋混凝土支撑轴力不断减少，第二道钢支撑的轴力先增加，随后呈稳定状态，第三道钢支撑呈现先减少后增加的趋势。3）任意一个开挖层级条件下，基坑地表沉降曲线均呈现出“勺”状凹陷的变化规律，峰值存在逐步增加的效应。