软土地区地铁车站深基坑围护结构刚度影响性分析

赵天光 边步荣 朱军

摘要：南京某地铁车站深基坑采用“地连墙+内支撑”的支撑体系，为了研究地连墙的刚度对于围护结构侧移和内支撑受力的影响，以车站深基坑的标准段为研究载体，建立二维数值分析模型，对比分析并且总结围护结构刚度变化引起地下连续墙侧向位移，内支撑弯矩变化规律。研究结果表明：围护结构刚度增加后，地下连续墙水平侧移最大值所在位置下移，围护结构刚度提升对于减小围护结构水平侧移效果不显著；混凝土支撑正弯矩值随着围护墙刚度的增大而减小，负弯矩值随着围护墙刚度增大而增大，设计时通过增加围护墙刚度来控制混凝土支撑弯矩是不经济的。

关键词：围护结构刚度；地下墙侧移；数值分析；内支撑弯矩

0   引言

随着国民经济的快速发展和城市化进程的不断推进，交通拥堵问题成为限制城市发展的重要瓶颈之一，为了缓解这一问题，以地铁为代表的城市公共交通因旅客运输量大、准点率高和环境影响效应低等优势，在我国大中型城市得到了快速发展[1]。

地鐵车站通成修筑在城市中心区域或近郊，周边环境复杂，各种构建筑物和道路交通给地铁车站的修建带来了诸多挑战。地铁车站规模大、结构复杂、工序繁琐，也给地铁车站修筑过程中的变形控制带来了诸多困难[2]，尤其是软土高压缩性、强度低、承载力低的土体特性，更是给地铁车站的施工带来了很多困扰，因此在地铁车站基坑开挖的过程中需要加强基坑的变形监测与控制[3]。

为了给车站基坑提供强有力的安全保障，需要在基坑施工前，根据项目的工程地质条件、支撑形式和施工工序，准确预测基坑的变形和受力形式。近年来众多学者对基坑开挖引起的地表变形规律进行了研究，并取得了丰硕的成果。

路林海等[4]建立了考虑土与结构协同工作的三维数值模型，研究了支护结构与主体结构相结合设计方案下基坑的围护桩侧移、坑外地表土体沉降和坑底土体回弹规律，为类似工程的设计提供了理论支撑。慕焕东等[5]对基坑开挖过程中，支护结构侧向位移变化规律开展3组小比尺模型试验，探讨基坑开挖后基坑支护桩身位移变化规律，对地铁车站深基坑工程理论和施工具有重要指导意义。任建西等以西安黄土地区首个半幅铺盖法地铁车站基坑为工程背景，对中立柱的变形机理及变形规律进行研究，发现坑底土体隆起影响最为显著。采用钢筋混凝土支撑加路面板组成的临时路面系统和分八步实施的施工工序，可减小中立柱沉降值。

上述研究内容为本文车站深基坑车站维护结构的分析提供了良好参考。但我国地域广阔，各地区地质条件差异大，本文以南京市某地铁车站深基坑进行规律进行施工模拟，得到了不同工况下深基坑的变形规律。在模型中对地连墙刚度进行了多种情况对比，以分析围护结构刚度对于围护结构的侧移和围护结构内力的影响，研究结果可为地连墙设计提供良好的理论基础。

1   工程概况

南京某地铁车站为地下二层标准车站，车站外包总长169m，标准段宽度19.7m，基坑开挖深度16.7～18.2m。开挖范围内土层主要是黏土和粉质黏土。车站开挖施工采用半盖挖法施工，共设置29根格构柱。主体围护结构采用800mm地下连续墙，较基坑底部深28.46～30.05m。标准段及端头井采用4道支撑加一道换撑，第一道采用800mm×1200mm混凝土支撑，标准段第二至四道采用Φ609、16mm厚钢管撑，水平间距3m。

2   有限元模型分析

2.1   计算模型建立

对应于车站基坑实际开挖方法，取地铁车站标准段作为分析对象，建立2D有限元分析模型如图1所示。模型分析先施工地连墙和格构柱，然后依次进行基坑开挖。

为了模拟方便，将实际第一层土方开挖从冠梁底部改为从地面开始开挖，每一次开挖都随挖随撑。第一次开挖至1.6m，第二次开挖到6.58m，第三次开挖到10.3m，第四次开挖到12.5m，第五次开挖到基坑底。模型选取范围与基坑的开挖深度，土层的性质以及基坑的形状有关[6-7]，一般情况下对模型竖向的取值范围约在1～2倍的基坑开挖深度[8]。

基坑的开挖深度为16.9m。取模型的尺寸为56.5m×

90m×16.9m。对于模型进行如下假设：

土体和支护结构的材料为各向同性，土体的本构模型选用修正摩尔库伦，混凝土和钢结构设置为弹性模型[9]。

定义土体属性为2D实体单元，地下连续墙及钢筋混凝土水平支撑为1D梁单元，水平钢支撑为1D桁架单元[10-11]。不考虑排水固结及地下水渗流的影响。

2.2   参数选取

现场的地质情况较为复杂，现结合开挖现场地质报告，将模型的土体进行合理简化，得到土体物理力学参数如表1所示。

2.3   方案设计

设置3种不同的围护墙刚度，来研究围护墙刚度对基坑变形的影响。该基坑地连墙混凝土强度等级为C35，连续墙厚度为800mm，将刚度设置为EI，设置以下3种工况研究地连墙刚度对基坑变形的影响。

方案一：地连墙选用C35混凝土，厚度为800mm。刚度为EI；方案二：地连墙选用C30混凝土，厚度为650mm。刚度约为0.75EI；方案三：地连墙选用C35混凝土，厚度为1000mm。刚度为1.25EI。

3   结果分析

3.1   不同刚度下围护墙侧移分析

不同围护结构刚度下围护结构水平位移如图2所示。在第五次开挖完成后，各个方案下地连墙水平侧移最大值位于基坑开挖深度0.9～1.1倍之间。在原刚度EI条件下，地下连续墙最大水平偏移值为10.38mm。当地下连续墙刚度变成原来的0.75倍时，地下连续墙最大水平偏移值为12.2mm，与原刚度下结果相比增大了约10.53%。而当地下连续墙的刚度变成原来的1.25倍时，地下连续墙最大水平侧移值为9.58mm，比原刚度结果小了7.7%。且随着地连墙刚度的增加，地连墙最大水平侧移值所在位置下移。

3.2   不同刚度下围护结构内力分析

围护结构内力在不同的围护结构刚度下有着不同的分布状况，通过上述3种围护墙刚度下的数值分析模型，分析开挖完成后标准段某处围护结构的内力。各围护墙刚度下混凝土支撑弯矩分布如图3所示。

从图3可以看出，混凝土支撑的正弯矩随着围护墙刚度的增大而减小，混凝土支撑负弯矩则随着围护强度增加而增大。但是3种围护墙刚度下混凝土支撑正负弯矩最大值绝对值之和变化很小。可以近似的认为，混凝土支撑弯矩分布随着围护墙刚度的增大，弯矩曲线沿着弹性混凝土支撑单元截面上移。

当围护墙刚度为0.75EI时，跨中弯矩为2441.42kN·m。原围护墙刚度为EI时，跨中弯矩为2398.06kN·m。而当围护墙刚度变为1.25EI时，跨中弯矩为2257.57kN·m。

4   结束语

为了研究地连墙的刚度对于围护结构侧移和内支撑受力的影响，以车站深基坑的标准段为研究载体，建立二维数值分析模型，对比分析并且总结围护结构刚度变化引起地下连续墙侧向位移，内支撑弯矩变化规律。得到研究结果如下：

1.25EI围护结构刚度下的水平位移与原刚度EI下相比的减小了7.7%左右，即围护结构刚度增大25%时，变化幅度很小。围护结构刚度增加后，水平侧移最大值所在位置会下移。由此说明，只增大围护墙刚度来调整围护结构的水平位移是不经济的。在实际施工中还应考虑其他影响因素，并结合工程实际情况注重调整整个支护体系的布置以达到控制基坑变形的目的。

混凝土支撑正弯矩值随着围护墙刚度的增大而减小，负弯矩值随着围护墙刚度增大而增大。EI下混凝土支撑跨中弯矩比0.75EI下的结果降低1.81%，1.25EI下混凝土支撑跨中弯矩比EI下的结果降低5.88%，围护墙刚度的增加对减少混凝土支撑弯矩影响很小。设计时可通过增加围护墙刚度，来控制混凝土支撑弯矩是不经济的。

参考文献

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