地铁车站深基坑开挖全过程的三维数值模拟分析

孙 兵 ，陶 然 ，周文波

1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.南京工业大学 交通运输工程学院，江苏 南京 210009；3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200032；4.上海城市基础设施更新工程技术研究中心，上海 200032

近十几年来，伴随着城市地下空间的深度开发，基坑工程作为地下空间结构保驾护航的先期工程，面临巨大挑战。特别是近年来，随着基坑规模越来越大，开挖越来越深，对深基坑工程的研究提出越来越多的要求。目前对于基坑开挖的研究主要集中于开挖完成后的变形，例如刘国彬等［1］研究了深基坑支护结构可能产生的变形破坏和土体塑性破坏等；文献［2-6］研究了受力特性引起基坑围护结构的破坏，进而引起整个基坑稳定性的破坏等。而对于施工全过程中基坑围护结构及周围土体的变形过程鲜有研究。本文针对地铁深基坑各分区的实际开挖步骤，采用ABAQUS 软件建立三维数值模型，研究了全开挖过程中基坑及支护结构的变形和受力特性，分析了周围土体的变形和基坑塑性区域的分布，进而对实际工程提出指导意见。

1 工程概况

本文以南京地铁五号线七桥翁车站为例。该车站位于规划冶修二路与规划红花路的交叉口，为地下二层岛式站，车站总长201.4 m、总宽20.1 m。规划的红花路为东西向，宽37 m；规划的冶修二路为南北向，宽33 m。

车站基坑埋深标高18 m，地板埋深17.9 m，采用钻孔灌注桩的形式加工法桩作为内支撑，围护结构最大宽度达到26.9 m。围护结构具体尺寸及水平布局如图1所示，支撑材料、标高见表1。

表1 基坑支撑情况Table 1 Foundation pit support condition

图1 基坑支撑布置平面图Fig.1 Layout plan of foundation pit support

车站施工区域内以粉土、砂土、粉质黏土为主，基坑坑底基本处于粉土内，围护结构插入粉质黏土层，采用明挖顺作法对车站主体结构进行施工。土层分布及物理力学性质如表2所示。

表2 各土层物理力学参数指标Table 2 Physical and mechanical parameters of each soil layer

2 ABAQUS数值模型

运用有限元软件ABAQUS 建立基坑三维分析模型。为了减小边界条件的影响，基坑建模时取不少于2 倍基坑的开挖深度［3］，即模型高度取至地面以下70 m，模型长度350 m、宽度150 m，整体有限元模型如图2所示。

图2 基坑三维数值模型Fig. 2 3D numerical model of foundation pit

为简化分析，本文将围护结构等效为地连墙，并将基坑模型分为南区与北区；模型底部采用固定约束，模型侧边界采用侧向约束；场地土体与围护结构之间采用摩擦接触，摩擦系数取0.4；土体与围护结构采用实体单元（C3D8R），支撑采用梁单元（B31）；土体采用摩尔库伦准则考虑其非线性，围护结构则采用线弹性模型模拟其力学行为。

基坑开挖采用单元失效的方法模拟基坑土体的开挖，模型参数及开挖步骤分别见表3～表4。

表3 模型计算参数Table 3 Model calculation parameters

表4 施工开挖步骤Table 4 Excavation steps in construction

为提高计算效率，ABAQUS 软件模拟时采用减缩积分技术并通过刚度增强技术进行计算。

3 支护结构及基坑土体变形分析

3.1 支护结构侧向变形分析

为研究地下连续墙墙身水平变形，在南北两区的端头井段与标准段分别选择两个断面，研究地连墙和支护结构的侧向位移情况。南北两区4个断面位置如图3 所示，其中1-1、3-3 断面属于端头井段，1-1断面位于南基坑北侧7.1 m处，3-3断面位于北基坑南侧7.1 m处；2-2、4-4断面为标准段，2-2 断面位于南基坑北侧36.18 m 处，4-4断面位于北基坑南侧54 m处。

图3 地下连续墙关键断面 单位：mFig. 3 Key section of underground continuous wall

4 个断面的支护结构侧向偏移曲线如图4 所示。由图4 可知，开挖完成后地连墙沿着深度方向变化特征相似，均表现为在顶部和底部变化较小而中部变化较大的“纺锤”型，即在开挖深度5～20 m 时，基坑的水平位移不断增加，在墙顶下方0.7H～0.8H（H为墙体高度）处达到最大值，最大侧移约60 mm，之后随着深度增大，水平位移逐渐减小，直至到地连墙底部位移趋于零；标准段地连墙侧移量大于端头井侧移量。

图4 地下连续墙关键断面支护结构的侧向偏移量Fig. 4 Lateral offset of support structure of key sections of underground continuous wall

图4中，在开挖完第二层土后，曲线发生明显变化，原因可能是内支撑具有很大的刚度。第一道钢支撑的施加使得相应位置的土体位移受到限制，变形基本发生在该道支撑以下受限相对较小的区域；随着多道内支撑的架设，支护系统的整体刚度越来越大，位于支撑上方的地连墙几乎保持不变，支撑下方地连墙变形的增长速率也有所减缓。

3.2 基坑土体变形分析

3.2.1 坑内土体隆起

依旧取上述4个断面对基坑内土体的隆起情况进行研究，分别绘制各个断面上土体的隆起位移图，如图5所示。

图5 坑底土体隆起位移图Fig. 5 Displacement map of soil uplift at pit bottom

由图5可知，随着基坑的开挖，坑底土体在不断卸荷，从而引起坑底土体隆起量的持续增长，表现为沿着断面方向基坑中心部位的隆起量大，基坑边靠支护结构的部位隆起量小，且隆起量的大小与基坑平面尺寸有密切的关系（基坑平面尺寸越大，坑底隆起值越大），端头井段的坑底隆起量相对标准段较小。

3.2.2 基坑周边土体沉降

在基坑开挖过程中，基坑周边土体会产生竖向变形，此处比较了基坑边一侧距基坑边不同距离的周边土体变形情况。为此，在上述4 个断面上分别取距离基坑一侧5、10、15、20、25、30、35、40、50 m 的点，对每个开挖步骤及初始应力平衡后的沉降情况进行分析，如图6所示。

图6 基坑周边土体沉降量Fig. 6 Settlement of soil around foundation pit

由图6可知，4个断面的沉降曲线均呈现“勺”状，且均在距离基坑边缘8～9 m 处出现沉降峰值，最大沉降数值约为10 mm；此外，亦能看出端头井段处断面的周边土体沉降量相对标准段较小；在距离基坑边缘10 m 范围内，基坑开挖导致的地面最大倾斜约为0.01 m，会对该范围内的砌体、框架和高层建筑产生不利影响；而距离基坑边缘30 m以外的地面最大倾斜约为0.003 m，可认为不会对地面建筑造成明显影响。

4 结论

采用ABAQUS 有限元软件对地铁深基坑开挖全过程进行三维数值模拟，研究了基坑开挖过程中围护结构的变形和受力特性，分析了坑内土体的隆起变形及基坑周边土体的沉降规律，得出如下结论。

（1）随着基坑的开挖深度不断加大，坑底位移持续增加；坑底中心区域存在较大隆起，且挖深越大，隆起越大，整体为“鼓肚子”形式的变形。

（2）在墙体顶部下方0.7H～0.8H处支护结构侧移达到最大值，最大侧移约60 mm（端头井部最大侧移为30 mm）；此后随着挖深继续增大，侧向位移逐渐减小，直至到地连墙底部位移趋于零。

（3）基坑开挖会导致周边土体沉降，在距离基坑边缘10 m 范围内，基坑开挖导致的地面倾斜会对该范围内的砌体、框架和高层建筑结构产生不利影响；而距离基坑边缘30 m 以外的地面倾斜则不会对地面建筑造成明显影响。