武汉某地铁车站深基坑开挖支护变形数值模拟研究

陈俊俊

摘 要：【目的】以武漢市唐家墩地铁车站深基坑工程为例，综合考虑场地工程地质、水文地质条件，权衡经济、安全、施工难度、工期等因素的影响，最终采用连续墙加内支撑的方式对该深基坑进行开挖支护。【方法】结合ABAQUS数值模拟软件中的Mohr-Coulomb准则进行三维建模，模拟研究了基坑开挖过程，预测了基坑开挖影响范围内土体的水平位移、垂直位移及支护结构的变形，并与现场监测资料进行了比对。【结果】研究结果表明：开挖初期主动土压力主要由开挖面以下连续墙承担，随着开挖加深和支撑设置，主动土压力在后期主要由开挖面以上连续墙承担。围护结构最大水平位移为30.3 mm，坑外最大沉降量17.5 mm，坑内最大隆起量为19 mm，与现场实测数据一致，从而验证了设计方案的可行性。【结论】基坑开挖支护方式满足一级基坑变形控制要求。模拟结果表明支护设计方案是可行的。

关键词：深基坑开挖；数值模拟；位移；变形

中图分类号：TU753                    文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）06-0066-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.013

Numerical Simulation Study on Supporting Deformation of Deep

Foundation Pit Excavation in a Subway Station in Wuhan

CHEN Junjun

（Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] Taking the deep foundation pit engineering of tangjiadun subway station in Wuhan as an example， this paper comprehensively considers the engineering geology and hydrogeological conditions of the site， weighs the influence of economy， safety， construction difficulty， construction period and other factors， and finally adopts the continuous wall with internal support to excavate and support the deep foundation pit. [Methods] Combined with Mohr-Coulomb criterion in ABAQUS numerical simulation software， the three-dimensional modeling is carried out to simulate the excavation process of foundation pit， and the horizontal displacement， vertical displacement of soil and deformation of supporting structure within the influence range of foundation pit excavation are predicted， and are compared with the field monitoring data. [Findings] The results show that the active earth pressure is mainly borne by the diaphragm wall below the excavation face at the initial stage of excavation and with the deepening of excavation and support setting， the active earth pressure is mainly borne by the diaphragm wall above the excavation face at subsequent stage. The maximum horizontal displacement of the retaining structure is 30.3 mm， the maximum settlement outside the pit is 17.5 mm， and the maximum uplift inside the pit is 19 mm， which is consistent with the field measured data， thus verifying the feasibility of the design scheme. [Conclusions] The excavation and support mode of foundation pit can meet the deformation control requirements of first-class foundation pit. The simulation results show that the support design is feasible.

Keywords： deep foundation pit excavation; numerical simulation; displacement; deformation

0 引言

随着城市地铁的兴起，国内外对地铁站深基坑工程的研究也随之增多。地铁工程的建设面临车站深基坑工程的设计、施工及监测等问题，对车站基坑工程的安全、稳定性等要求较高，还要考虑对邻近建筑物及地下管线等环境因素的影响，在车站基坑工程施工过程中，需要对围护体系及地表变形实时监测并及时采取相应措施［1］。因此，有必要对地铁车站基坑工程施工过程中围护体系的受力及变形和地表位移进行研究。

本研究以武汉市唐家墩地铁车站深基坑工程为例，综合考虑场地工程地质和水文地质条件，权衡经济、安全、施工难度、工期等因素的影响，最终采用连续墙加内支撑的方式对该深基坑进行开挖支护［2］。同时，结合ABAQUS数值模拟软件对该车站标准段基坑开挖的施工全过程进行了数值模拟，预测了基坑开挖影响范围内土体的水平位移、垂直位移及支护结构的变形，并与现场监测资料进行了比对。对基坑内被动区土体采用不同加固方法对基坑开挖过程围护墙及地表变形的影响进行了研究。

1 基坑工程地质概况

1.1 工程概况

该深基坑位于武汉市江汉区，地处发展大道与唐家墩路交叉口处。基坑沿唐家墩路呈南北走向，起点里程为K24+827.6，终点里程为K25+55.4。车站结构为地下三层双柱三跨结构，地下第一层为站厅层，第二层为设备层，第三层为站台层。标准段基坑开挖深度约为20.5 m，端头井开挖深度约为23.1 m，采用明挖法施工。

1.2 工程地质条件

勘查区位于长江Ⅰ级阶地，为长江冲洪积物形成的堆积平原地貌。根据野外钻孔岩性描述、原位测试结果及室内土工试验成果，可将拟建工程场地勘探深度范围内地层划分为五大层、十三个亚层。各土层及支撑结构的物理力学性质如表1所示。地下水位按现场实测结合武汉市区域水文资料，取20 m为设计高水位。基坑降水至坑底以下1 m。

2 基于ABAQUS的基坑开挖数值模型构建

近年来，得益于计算机技术的高速发展，数值模拟技术在岩土工程中得到了广泛的应用，很多复杂的岩土工程问题通过数值模拟可快速得到解析解［3-4］。本研究采用ABAQUS有限元软件对该基坑的开挖支护过程进行了数值模拟计算。

2.1 基本假定

为了保证模型的顺利建立，对一些次要因素及过于复杂的因素进行了简化，基本假定如下：①假设各土层为水平分布；②假设土体为均质、各向同性的弹塑性体，强度服从Mohr-Coulomb强度屈服准则；③支撑和连续墙为完全弹性体；④不考虑施工对土体力学指标的影响。

2.2 模型尺寸及边界条件

根据工程经验，基坑开挖影响深度为开挖深度的2～4倍，影响宽度为开挖深度的3～4倍，故模型所取的计算域为130 m×60 m。选取宽度为6 m，包括一个计算宽度内的土体、支撑和连续墙。土体和连续墙部件采用三维实体拉伸，支撑采用梁单元。土体和連续墙之间设置硬（hard）接触，支撑与连续墙设置为tie接触。土体和连续墙采用三维八节点实体减缩积分单元（C3D8R）模拟，支撑采用梁单元模拟。然后分别赋予土体和围护结构材料参数。

2.2.1 边界条件。整个模型底部约束X、Y、Z轴方向的位移。其中，左右两侧约束X轴方向的位移（U1=0）；前后面约束Y轴方向位移（U2=0）；上边界为自由边界。墙体与土体之间设置为面面摩擦接触（摩擦系数取值0.3）。

2.2.2 采用按边布种的方式进行网格划分。为同时兼顾计算机性能和精度要求，墙体和基坑围护结构附近网格较密，最小网格尺寸为1 m，离墙体越远网格越疏松，由连续墙向两侧网格尺寸逐渐增大（1～4 m）。具体有限元网格划分如图1所示。

2.3 基坑支护形式

基坑重要性等级为一级，侧壁安全等级为一级。基坑开挖深度20.5 m。主体标准段围护结构采用地下连续墙+内支撑围护结构，使用厚度为1 m的地下连续墙，连续墙顶低于地面，地下连续墙深入中风化泥质粉砂岩2～3 m以起到隔水作用。连续墙上方另作1.5 m高挡土墙。

支撑采用直径为609 mm、壁厚为16 mm的钢管。施工期间基坑侧面超载按无限局部荷载q2=15 kPa，施工道取分布宽度为6 m距基坑边缘距离3 m的条形荷载q3=18 kPa。不考虑内外渗流影响，基坑开挖支撑步骤如下：①第一次开挖至地表下2.3 m，设置第一道内支撑；②第二次开挖至地表下6.4 m，设置第二道内支撑；③第三次开挖至地表下10.8 m，设置第三道内支撑；④第四次开挖至地表下14.6 m，设置第四道内支撑；⑤第五次开挖至地表下17.8 m，设置第五道内支撑；⑥第六次开挖至基坑底部，距地表20.5 m处。

2.4 参数选取

土体及围护结构力学参数的选取如表1所示。

3 结果分析与讨论

3.1 初始应力场分析

对模型整体施加重力荷载，然后令位移场清零，得到初始应力，如图2所示。从图2可以看出，初始应力场主要受土体自重影响，分布较均匀，随着深度加大数量级加大。

3.2 基坑外地表水平位移分析

第二次和第五次挖阶段的基坑水平位移变化如图3所示。由图3可以看出，基坑围护墙体嵌入一定深度的岩层中，随着开挖深度的增加，最大水平位移点的位置随开挖面逐渐向下移动，且变形区域逐渐增大。

由图3还可以看出，水平位移等值线呈现以开挖面与连续墙交界处为中心，逐渐向两侧扩张的漏斗形状。随着开挖深度的增加，漏斗不断向两侧扩张，影响范围随之增大，同时漏斗核心区位移幅值不断加大，在开挖结束时达到最大值。值得注意的是，水平位移最大值并不是发生于开挖面连续墙处，而是在该点上方的一定位置。

开挖过程中地表水平位移变化如图4所示。图4中水平位移变化值与图5中各阶段水平位移云图变化趋势相一致。随着基坑向下开挖，发生最大水平位移的位置逐渐远离墙体，并始终位于开挖面偏上处。值得注意的是，连续墙的水平位移各工况均有两个极值点，这就对应了云图开挖面上下各存在一个承载集中区域。

3.3 土体竖向位移分析

第一次到四次挖阶段的基坑竖向位移变化如图5所示。由图5可以看出，基坑围护墙体嵌入一定深度的岩层中，随开挖深度的增加，最大竖向位移点的位置随开挖面逐渐向下移动，且变形区域逐渐增大。

由图5可知，不同开挖阶段的竖向位移极值区域均靠近连续墙的坑角位置。step1后，沉降最大位置靠近墙体。随着开挖的进行，发生最大沉降位移的位置逐渐偏离墙体。step2之前的主要问题是坑内隆起问题，step3之后坑外沉降变得越来越明显，沉降量和范围也不断增大。

相比于竖向位移，地表沉降和坑内隆起更值得重视。因此，下面分别用ABAQUS指定路径画XY曲线图，在地表和坑底指定路径，绘制各工况地表沉降如图6所示，step6坑底隆起如图7所示。

由图6和图7分析可知，地表最大沉降在step6地表距基坑边缘的3～5 m处取得，为17.5 mm；坑底最大隆起量在step6的基坑中心位置取得，为19 mm。

3.4 墙体水平位移

选取计算钻孔附近连续墙水平位移监测点CX-6监测资料，与模拟连续墙水平位移数据做对比分析，结果如图8所示。结果表明，在预测坑内水平方向位移时，模拟结果与监测数据较吻合，整体趋势一致，模拟最大位移位置较监测结果偏上，在基坑上部连续墙向土体方向的位移，两者差别较大，误差产生的原因主要有以下两个。

3.4.1 模型计算没有考虑钢支撑预加力。实际施工施加了较大的预加力，导致墙体在顶端向墙后土体方向产生较大位移，以及在11 m深度处（第三道钢支撑位置）位移方向由向坑内变为向坑外的位移，这些因素又同时导致了坑内位移最大值向下移动。

3.4.2 模型没有考虑施工和降水引起的土体参数改变。总体来说，模型的建立和参数的选取是比较可取的，可以较为客观地反映连续墙变形情况，本有限元模型可以用来模拟本基坑的开挖与支护。模拟结果表明，基坑变形满足一级基坑位移小于0.15% H（H为基坑深度），且不大于40 mm的变形控制要求。

4 结论

本研究以武汉市唐家墩地铁车站深基坑工程为例，根据勘察报告分析其场地条件，比选支护方案，通过ABAQUS数值模拟的方式，选用Mohr-Coulomb模型研究了基坑开挖影响范围内土体的位移及支护结构的变形，并得出以下结论。

①綜合考虑工程地质、水文地质条件，权衡经济、安全、施工难度、工期等因素的影响，采用连续墙加内支撑的方法对唐家墩地铁车站深基坑进行开挖支护。

②在被动区和主动区均存在一个水平位移极值集中区。开挖初期，被动区极值集中区幅值更大，主动土压力主要由开挖面以下连续墙承担。随着开挖加深和支撑设置，主动土压力在后期主要由开挖面以上连续墙承担。

③围护结构最大水平位移为30.3 mm，坑外最大沉降量17.5 mm，坑内最大隆起量为19 mm，满足一级基坑变形控制要求。

④在实际开挖过程中，土体参数会随施工过程改变，具体有待做进一步的深入研究。

参考文献：

［1］刘国斌，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［2］李粮纲，陈惟明，李小青.基础工程施工技术［M］.武汉：中国地质大学出版社，2001.

［3］刘嘉.SMW工法在基坑支护中的应用及分析研究［D］.扬州：扬州大学，2012.

［4］罗积胜.地铁车站咬合桩围护结构设计计算方法及其应用研究［D］.成都：西南交通大学，2009.