洛阳龙门地铁站狭长深基坑变形规律及控制措施分析

张俊杰，高林静，范兆东，郭伟轩，李文杰

(1. 中铁十五局集团城市建设有限公司，河南 洛阳 471013；2. 河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023；3. 中铁十九局集团有限公司，北京 100176)

0 引言

城市轨道交通建设的快速发展，导致深基坑工程不断增加，开挖规模不断扩大，呈现出“大、紧、近、深”等特点[1]，不仅导致施工风险增大和施工工期紧张，而且引发的环境问题也日益突出[2]。地铁基坑相较于传统的房屋建筑基坑具有“开挖深度大、长宽比大、支护要求高”等特点[3]，因此研究地铁狭长深基坑变形规律具有重要的现实意义[4-5]。

近年来，国内外众多学者针对基坑开挖性状及对周边环境影响问题进行广了泛研究。文献[6]和文献[7]通过收集现场实测资料，从统计角度系统分析了基坑开挖后，墙后地表变形性状。文献[8]通过调整基坑开挖深度和尺寸来探究空间效应对基坑开挖围护结构变形的影响，提出控制基坑开挖临界尺寸可减小围护结构变形，提高施工效率和保障基坑开挖的稳定性。文献[9]采用数值模拟、反向传播(back propagation,BP)神经网络预测和现场监测等多种方法，来探究深基坑开挖变形规律，进而提出BP神经网络可对基坑开挖进行动态预测，且通过数值模拟可检验基坑设计方案的安全性和经济性。文献[10]基于Winkler地基模型和桩-土变形协调条件，采用两阶段方法求解单桩水平位移控制方程，研究基坑开挖对邻近桩基的影响。文献[11]采用有限元软件探究基坑开挖对邻近边坡的影响，并采取坡顶加微型桩、坡脚加微型桩固脚、支护桩间加锚索等加固措施来预防边坡及坡顶建筑物变形。文献[12]根据现场监测数据对桩撑、桩锚、板肋、地表沉降变形特性进行分析，提出该基坑工程支护设计方案满足设计和周边环境的要求。此外，国内众多学者[13-19]对软土地区基坑特性进行了大量研究，取得了丰厚的成果。文献[20]通过收集不同支护形式下基坑的监测数据，得出围护结构和地表沉降变形规律。文献[21]和文献[22]通过现场工程实例分析宽大基坑角效应对地表沉降变形的影响情况，提出坑角位置处的基坑变形及地表沉降量最小的结论。

以上研究内容主要集中于一般的宽大型深基坑开挖力学性能分析，而对于复杂环境下狭长深基坑开挖变形性状和变形控制措施研究较少。本文依托洛阳龙门地铁车站狭长深基坑工程，运用MidasGTS/NX有限元数值模拟软件，通过对基坑长短边围护结构及基坑周边土体沉降变形特性进行对比分析，总结基坑变形规律，并与现场监测数据进行对比分析，所得结论可为类似狭长深基坑工程施工和围护结构的设计提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 工程概况

图1 地铁车站现场明挖局部施工

洛阳地铁2号线龙门地铁车站，位于洛龙区通衢路19号，地铁车站呈南北不规则长条矩形分布，地铁左线起讫里程为CK21+849.574～CK22+471.396，全长621.822 m；地铁右线起讫里程为CK21+811.66～CK22+477.904，全长621.822 m。车站结构为地下二层岛式站台，车站主体及附属结构采用明挖法施工，车站标准段平均宽度约为25.1 m，盾构端头井段北侧宽度44.21 m、南侧宽度26.4 m，标准段开挖深度为18 m，盾构井段开挖深度为21.3 m，地铁车站现场明挖局部施工图如图1所示。

1.2 支护结构

车站基坑支护体系由5部分组成：围护桩、内支撑、立柱、冠梁及腰梁。围护桩为钻孔灌注桩，桩长25 m，桩径为1.2 m，桩间距为1.5 m，内支撑体系分为对撑和斜撑，第1道支撑为混凝土支撑，截面尺寸为800 mm×900 mm，第2、3、4道支撑为钢支撑，钢支撑外径为800 mm，壁厚为12 mm；第1道混凝土支撑水平间距为10 m，其他3道钢支撑水平间距为6 m，竖直方向上，第1、2道支撑间距为5.5 m，第2、3、4道钢支撑相邻之间竖向间距为4 m，第4道钢支撑到基坑底部距离为3.5 m；材质为C30混凝土的立柱长为23 m，矩形截面尺寸600 mm×600 mm，立柱基础为直径1 200 mm的桩孔灌注桩；冠梁及腰梁断面尺寸均为900 mm×1 400 mm，材质为C30混凝土。

2 有限元模型建立

2.1 模型力学参数选取

图2 围护桩刚度折算简图

依据基坑工程手册中的等效刚度理论将桩体刚度进行折算，折算简图如图2所示，将钻孔灌注桩等效成围护墙进行计算[1]：

(1)

(2)

其中：D为桩间距，mm；d为钻孔灌注桩直径，mm；h为折算后围护墙厚度，mm。将数值代入上式中得h约为768 mm。

各地层通过3D实体单元模拟，根据地质勘察报告，土层地质参数如表1所示。

表1 土层地质参数

2.2 模型建立

基于洛阳地铁车站工程实例的几何尺寸及材料参数，运用Midas-GTS/NX有限元软件建立三维地铁车站深基坑开挖有限元模型，模型尺寸长×宽×高为1 200 m×440 m×60 m，基坑尺寸长×宽×高为621.822 m×44.21 m(26.4 m)×25 m，模型节点数为229 716，单元数为216 645，模型底部设置为固定约束，顶部设置为自由边约束，约束住4个侧面的法向位移。地铁车站深基坑整体有限元模型如图3所示，地铁车站支护结构有限元模型如图4所示。

图3 地铁车站深基坑整体有限元模型

图4 地铁车站支护结构有限元模型

2.3 施工模拟步骤

具体施工模拟步骤如下：(Ⅰ)建立实体模型，划分网格，施加位移边界条件；(Ⅱ)初始位移场平衡，位移清零；(Ⅲ)按照基坑开挖的施工顺序，依次激活施工围护结构、立柱、立柱桩基础、冠梁、腰梁及内支撑，钝化开挖土体，直至开挖至坑底。

表2 开挖步骤

地铁车站基坑开挖采用明挖法，围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑的支护体系，模拟车站基坑施工的不同施工开挖步骤见表2。

3 计算结果分析

3.1 桩体水平位移变形分析

图5为基坑开挖至坑底时，桩体水平位移云图。由图5可知：桩体水平位移呈现“两头小，中间大”的变形趋势，越靠近基坑短边位置，桩体水平位移变形就越小；反之，越靠近基坑长边方向变形就越大，最大变形发生在基坑长边中部位置。

图5 开挖5桩体水平位移云图

基坑长边方向和短边方向桩体水平位移变形曲线如图6所示。由图6可知：在基坑开挖初期，由于外侧主动土压力的作用，两个方向桩体水平位移变形均呈现出向坑内前倾的变化趋势，变形形式为悬臂式，在桩顶处水平位移值分别达到最大值3.45 mm、2.15 mm。随着开挖2的进行，桩体水平位移逐步增大，最大值均由桩顶位置下移到第2道钢支撑与开挖面之间，两个方向桩身水平位移变形由“悬臂式”逐渐转变为“鼓肚状”，这是由于钢支撑的架设使得桩体水平位移值逐渐降低，致使桩体位移前倾逐渐变为“弓形”。由开挖3至开挖5，在钢支撑顶推作用下，桩体受到约束，两个方向桩体最大水平位移呈下移趋势，最终稳定在0.62H～0.78H，其中H为基坑开挖深度。从图6还可以看出：在桩深一致时，长边方向桩体水平位移明显大于短边方向，且随着开挖深度的增加，桩体位移变形不断增大，开挖结束时，两个方向最大桩体水平位移值分别达到11.88 mm、8.21 mm。

(a) 基坑长边桩体水平位移

3.2 桩体竖向位移变形分析

图7 桩体竖向位移变形曲线

图7为桩体竖向位移变形曲线，正值代表桩体隆起，负值代表桩体沉降。由图7可以看出：两个方向的桩体竖向位移变形规律曲线具有一致性，在基坑开挖初期，两个方向桩体均产生竖向沉降，最大沉降值分别为6.25 mm和3.51 mm。随着开挖2、开挖3的推进，周围土体开始带动两个部位的桩体产生向上隆起位移，隆起量呈线性增长，但在架设好钢支撑后，两个方向的桩体隆起变形开始逐渐趋于稳定。

但随着开挖4的进行，两个方向的桩体隆起量不再增加，这说明基坑在开挖初期，坑内土体与桩体之间的接触面积很大，土体对桩身上部产生向下的负摩阻力，使得桩体开始向下沉降，但随着开挖深度的不断增加，土体与桩体之间的接触面积逐渐减小，土体对桩体的负摩阻力从而不断降低，侧摩阻力以正摩阻力发挥，桩身开始向上隆起变形，后期由于侧摩阻力达到了极限摩阻力值，使得桩体隆起量不再增加。由图7还可以看出：在基坑开挖初期，桩体竖向位移表现的空间效应不太明显，但随着开挖深度的增加，空间效应愈发显著，波动幅度不断增大，在整个开挖过程中，两个方向桩体竖向位移最大隆起量分别达到13.78 mm、10.56 mm，最大差异值达到3.22 mm。

3.3 桩体内力变形分析

基坑长边方向和短边方向桩体弯矩如图8所示。由图8可知：在基坑开挖初期，桩体处于悬臂状态，开挖面以下的土抗力平衡上部土压力，桩体弯矩在土压力作用下，呈现“两端小，中间大”的变化形态。随着开挖与支撑的交替进行，桩体受力发生了明显变化，桩体弯矩呈现出螺旋的“S”形。

这是因为桩体有了支撑作用，同时受到基坑外侧的土压力与开挖面内侧以下的土抗力的合力作用，桩体弯矩在支撑位置发生突变。由图8还可以看出：基坑长边桩体弯矩在不同施工阶段下，最大值各为146.47 kN·m、444.75 kN·m、851.34 kN·m、890.21 kN·m、1 288.38 kN·m，短边方向最大弯矩值分别达到66.15 kN·m、377.45 kN·m、644.67 kN·m、705.13 kN·m、851.49 kN·m，长边方向最大弯矩值是短边的1.51倍，最大弯矩波动幅值达到33.91%，出现基坑长边弯矩大于基坑短边的现象。

(a) 基坑长边方向桩体弯矩

3.4 土体沉降变形分析

图9为开挖至坑底时基坑周边土体沉降云图。由图9可知：开挖至坑底时基坑周边土体最大沉降量达到26.86 mm。基坑长边方向和短边方向土体沉降曲线如图10所示。由图10可知：两个方向土体沉降曲线变形均呈中部下凹的“勺子”形，土体最大沉降量未发生在坑外桩后位置，长边方向最大沉降位于距坑边约15 m处，短边约为10 m处。

图9 开挖5基坑周边土体沉降

(a) 基坑长边方向土体沉降曲线

这说明土体沉降量随着与桩后距离的增加而逐步上升，之后随着与桩后距离的进一步增加，基坑周边土体沉降幅度逐步降低，最后逐渐趋近于0。这是由于土体与围护桩之间具有一定的摩擦力，两者之间的摩擦力限制了基坑周边土体沉降，使得基坑开挖面周边土体由一开始的无限体弹性状态逐渐转变为半无限体弹性状态，在弹性收缩的作用下，土体会产生远离基坑方向的运动趋势，故基坑周边土体最大沉降量离基坑有一定距离。针对周边具有重要构筑物的基坑，必须及时采取有效防护措施，降低基坑不均匀沉降的影响范围，从而保证周边构筑物的安全性。

4 围护结构变形控制影响因素分析

在基坑围护结构设计中，对于基坑变形控制主要有两方面：一是设计因素，即通过调整围护结构的刚度、嵌固深度及支撑架设位置来达到控制基坑变形的目的；二是施工因素，通过加强施工管理质量和改善施工方法来减小支护结构变形。本文通过数值计算结果得到由于空间效应的影响，基坑长边方向范围内的围护结构变形明显大于短边方向，故从设计因素的角度去探究不同围护桩嵌固深度和钢支撑架设位置对基坑长边围护结构变形的影响，对指导实际工程施工具有重要的意义。

4.1 围护桩嵌固深度的影响

保持钢支撑架设位置不变，研究4 m、6 m、8 m、10 m这4种不同桩体嵌固深度并与原设计工况7 m进行对比分析，探究不同嵌固深度对桩体水平位移的影响。

图11为不同嵌固深度桩体水平位移。由图11可知：5种不同嵌固深度下桩体最大水平位移各为15.12 mm、13.87 mm、12.91 mm、12.56 mm、12.34 mm。桩体嵌固深度由4 m过渡到7 m时，桩体水平位移有明显减小趋势，但由7 m增加到10 m时，位移减小趋势逐渐放缓，对桩体变形控制效果减弱，若继续增加嵌固深度对减小桩体变形作用不大，也会造成成本浪费，增加施工难度。通过对比5种支护桩体的变形情况可知，本文设计的支护桩长度较为合理。

4.2 钢支架设位置的影响

保持桩体嵌固深度不变，调整第3道钢支撑架设位置，分析不同钢支撑架设位置对桩体水平位移变形的影响。

图12为不同钢支撑位置桩体水平位移。由图12可知：桩体水平位移对钢支撑架设的位置比较敏感，第3道钢支撑下移0.5 m时，相较于原设计工况，最大桩体水平位移有明显减小的趋势，同样钢支撑位置上移0.5 m时，最大桩体水平位移明显增大，3个不同架设位置处最大水平位移各为11.87 mm、12.91 mm、13.45 mm。

图11 不同嵌固深度桩体水平位移

图12 不同钢支撑位置桩体水平位移

5 监测数据对比与现场实施效果

5.1 基坑长边方向桩体水平位移对比分析

图13为基坑长边方向桩体水平位移对比。由图13可知：桩深一致时，两组数据基本接近，现场监测桩体最大水平位移值为13.38 mm，数值模拟值为12.91 mm，两者相差0.47 mm。数值模拟值小于现场监测值，是由于三维模拟是相对理想化的受力分析结果，未能充分考虑现场施工过程环境因素的影响，进而造成数值存在一定偏差。

5.2 基坑长边方向土体沉降对比分析

图14为基坑长边方向土体沉降对比。由图14可知：两条土体沉降变形曲线轨迹基本一致，吻合程度良好，且土体沉降曲线均呈现中部下凹的“勺子”形，距基坑约为15 m处，模拟值与监测值土体沉降均达到最大值，沉降值分别为17.25 mm、17.69 mm，两者相差0.44 mm，验证了数值模拟的准确性。

图13 基坑长边方向桩体水平位移对比

图14 基坑长边方向土体沉降对比

5.3 现场基坑支护实施效果

图15 现场基坑支护局部效果图

为控制围护结构变形，保证施工过程的安全性，本工程分别从设计因素和施工因素两方面进行综合考虑。在设计方面综合现场实际情况，采取合理的围护桩+钢支撑的基坑支护形式，且选用的桩体嵌固深度和钢支撑架设位置对控制围护结构变形起到较好的控制效果；在现场施工方面注重基坑开挖过程中的时空效应，严格遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的十六字方针，进而保证工程的顺利实施。现场基坑支护局部效果图见图15。

6 结论

(1)对于狭长深基坑在不同施工阶段下，由于空间效应的影响，基坑长边土体沉降及围护结构变形明显大于短边方向。在基坑开挖初期桩体水平位移变形为“悬臂式”，随着基坑开挖的推进和钢支撑的架设，变形由“悬臂式”逐渐转变为“鼓肚状”，两个部位最大水平位移最终稳定在0.62H～0.78H。

(2)开挖初期，桩体处于悬臂状态，桩体弯矩呈现“两端小，中间大”的变形趋势，后随基坑开挖与支撑的交替进行，桩体受力发生变化，桩身弯矩呈现“S”形，两个方向最大弯矩值各为1 288.38 kN·m、851.49 kN·m。

(3)两个方向土体沉降曲线均呈中部下凹的“勺子”形，由于土体与桩体之间存在摩阻力，土体最大沉降值未发生在紧挨着基坑的围护桩位置，最大沉降量距离基坑有一定的距离，长边方向最大沉降距坑边约15 m处，短边约为10 m处。

(4)桩体水平位移随着嵌固深度的增加，变形明显减小，但超过一定的嵌固深度，对桩体变形控制效果减弱，但对钢支撑架设的位置比较敏感。在实际施工过程中应当合理考虑桩体嵌固深度和钢支撑架设位置，从而达到控制围护结构变形的目的。