复杂地层明挖地铁车站基坑施工稳定性数值模拟研究

高 闯

（中铁二十五局集团第五工程有限公司，山东 青岛 266000）

由于地铁车站环境复杂，基坑开挖卸荷时会引起土体变形和地表沉降，对周围建筑物及地下管线产生较大的影响，因此保持基坑开挖的稳定性尤为重要。易默成等[1]以某地铁深基坑工程SMW 工法桩支护结构为研究对象，进行变形实测分析及有限元数值模拟研究。根据实测数据得出不同工况下的变形曲线，提出最大水平侧移与最大地表沉降的幂函数拟合公式。熊胜等[2]研究风化岩土质深基坑在开挖过程中的变形演化规律，采用PLAXIS3D 软件建立三维数值模型，分析基坑开挖深度、载荷位置、载荷大小对深基坑开挖过程变形的影响规律。李炜明等[3]通过研究复杂地层大直径地铁盾构井基坑施工土体变形规律，得出数值模拟与工程实际具有显著的差异性。冯春蕾[4]以北京和天津两地地铁车站深基坑工程建设为背景，从变形特性、安全稳定、工程风险分析及控制等方面展开研究，旨在初步形成能够对复杂地层条件下城市轨道交通建设进行统筹规划的工程建设安全管理体系。曹勇等[5]为探究复杂填海地层中深基坑的变形规律，对深圳地铁13 号线深登明挖区间开挖过程中围护桩水平位移和地表沉降的现场监测数据进行了分析。张灵熙等[6]在苏州7 号线某交汇车站基坑工程中，为降低新建车站施工过程对既有运营车站的影响，在邻近区域设置液压伺服系统，并对比分析采用伺服系统区与采用普通钢支撑区的位移与沉降。

以青岛地铁2 号线二期工程合川路车站基坑开挖为背景，通过采用有限元分析方法，建立三维数值模型，研究基坑开挖施工过程中土体稳定及支护结构变形问题。

1 工程概况

合川路车站是青岛地铁2 号线二期工程的第3 座车站，为地下2 层11 m 岛式车站，车站总长217 m，标准段宽19.9 m，最大宽度24.7 m，主体基坑采用钻孔灌注桩结合内支撑的支护型式，内支撑采用钢筋混凝土支撑和钢管支撑，支护示意图如图1 所示，具体支护参数见表1。

表1 支护参数表

图1 基坑支护示意图

本站地下水较为丰富，设700 mm 厚TRD 混凝土半包止水帷幕，进入强风化下亚带以内1.5 m。合川路站所在场区地层由上而下分别为素填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩，岩面起伏较大，车站底板位于中风化花岗岩及微风化花岗岩层中。各地层主要物理力学参数见表2。

表2 地层主要物理力学参数表

2 数值模拟方法与过程

2.1 基本假定

为了更好地表达基坑开挖过程中支护结构的受力特性和变形特点，在数值模拟分析过程中进行相应简化，并做出假定如下：开挖前各层土在自重下固结且为各向同性的均匀弹塑性体；土体厚度取车站开挖时土层厚度的平均值；初始应力场中只考虑土体自重，基坑开挖过程中，不考虑施工荷载对土体的影响；基坑开挖时考虑15 MPa 的地面超载。

2.2 数值模拟方法

通过考虑基坑开挖施工范围内既有建筑物位置以及施工的影响区域，基坑施工的三维模型尺寸选取为300 m×100 m×50 m（长×宽×高），模拟基坑开挖分5 步进行，每步序开挖深度为4 m 左右。模型整体示意图如图2 所示。

图2 模型整体示意图

模型中地层简化为水平匀质分布地层，采用摩尔-库伦本构建立3D 单元模型，TRD 混凝土止水帷幕采用2D 板单元模拟，灌注桩与支撑通过建立1D 梁单元模拟，建立界面和桩端单元来保证桩与土体之间的耦合。具体示意图如图3 所示。

图3 TRD、桩、支撑模拟示意图

施加自重，基坑周围地面超载为15 kN/m2。对模型整体施加自动边界条件，默认约束模型底部X、Y 方向位移，左右约束X 方向位移，前后约束Y 方向位移；对模拟支撑的1D 梁单元节点进行约束自由度如图4 所示，以保证其与周围土体耦合。

图4 梁单元（支撑）节点自由度约束示意图

2.3 数值模拟过程

数值分析软件施工阶段的模拟是通过激活/钝化相关网格组、荷载组以及边界条件等，模拟基坑施工中的开挖、支护等施工过程。具体施工步骤如下：计算初始应力场，激活所有土层、开挖区域、灌注桩与TRD 混凝土止水帷幕，激活自重、地面超载与边界条件，清零位移；钝化基坑开挖第一步的土层；钝化基坑开挖第二步的土层，激活冠梁、第一道混凝土支撑、钢支撑；钝化基坑开挖第三步的土层，激活第二道钢支撑与钢围檩；钝化基坑开挖第四步的土层，激活第三道钢支撑与钢围檩；最后开挖剩余第五步的土层。

3 数值计算结果分析

3.1 基坑开挖对灌注桩的影响分析

3.1.1 桩体水平位移

随着基坑开挖的进行，桩体产生一定的水平变形位移，土体在侧向卸荷的情况下，随着抗剪强度的降低抵抗变形的能力会减弱[7]，这是桩体向开挖侧位移的主要原因。桩体水平位移示意图如图5 所示；桩体水平位移最大值约为-4.80 mm，桩体水平位移随基坑开挖深度的增大而增大，最大水平位移通常出现在开挖平面附近，随基坑开挖深度的增大而逐渐下移；沿基坑夹角方向延伸。

图5 桩体水平位移示意图

3.1.2 桩体竖向位移

在基坑开挖及支护过程中，地下连续墙不断发生向上的竖向位移，桩体水平位移示意图如图6 所示，最大竖向位移值约为4.57 mm；产生竖向位移的原因是由于基坑开挖降低了基坑底部的上覆荷载，导致坑底有向上隆起的趋势，通过桩-土之间的摩擦作用[8]，带动桩体发生向上的竖向位移。

图6 桩体竖向位移示意图

3.2 基坑开挖对地层的影响分析

3.2.1 基坑竖向变形

在基坑开挖及支护过程中，基坑内部土体有向上隆起趋势，基坑底部竖向位移随开挖深度的增大而逐渐增大，最大竖向位移值约为21.45 mm；竖直位移云图如图7 所示，基坑坑底最大竖向位移发生在基坑底部中间位置处，降起量向基坑两侧逐渐降低。基坑坑底的向上位移演化规律与桩体向上的竖向位移规律较为一致。

图7 基坑竖向位移示意图

3.2.2 基坑水平位移

基坑开挖将导致基坑两侧土体向坑内发生变形，由于支撑对于水平变形有明显的约束作用[9]，导致应力重分布。在基坑开挖及支护过程中，基坑两侧土体有向上基坑内外侧产生水平位移的趋势，基坑水平位移示意图如图8 所示；基坑水平位移随开挖深度的增大而逐渐增大，最大水平位移值约为13.51 mm，基坑水平位移演化规律与桩体水平位移规律基本一致。

图8 基坑水平位移示意图

3.2.3 地表位移

基坑周边地表竖直位移云图如图9 所示，表明紧挨基坑的地表随开挖进度总体呈现向上隆起的趋势，最大隆起量为1.5 mm，这可能是因为桩体向上的竖向位移及桩顶向基坑外侧的水平位移导致相邻土体的向上变形。在距基坑较远处，周边地表随基坑开挖深度的增大呈现向下沉降的趋势，最大沉降量为0.38 mm，沉降量相较于坑底的隆起变形较小。

图9 基坑周边地表竖直位移云图

4 结论

基于有限元分析软件，考虑实际场地条件、开挖及支护过程等，对基坑开挖过程进行模拟，研究了基坑分层开挖-支护过程中桩体水平位移和地表竖向位移演化规律，得出以下主要结论。

1）在基坑开挖及支护过程中，桩体的水平位移随基坑开挖深度的增大而增大，最大水平位移通常出现在开挖平面附近，随基坑开挖深度的增大而逐渐下移。

2）基坑内部土体有向上隆起趋势，基坑底部竖向位移随开挖深度的增大而逐渐增大，基坑坑底最大竖向位移发生在基坑底部中间位置处，降起量向基坑两侧逐渐降低。

3）紧靠基坑的地表随开挖进度总体呈现向上升起的趋势，在距基坑较远处，周边地表随基坑开挖深度的增大呈现向下沉降的趋势，但沉降量相较于坑底的隆起变形较小。