地铁车站明挖深基坑支护结构稳定性分析

张涛

摘 要：以西安某地铁站明挖深基坑支护结构为背景，基于有限元分析对明挖深基坑支护结构进行稳定性分析。结果表明，深基坑开挖引起的地表竖向变形为 -11.8～-10.2mm，混凝土灌注桩顶侧向最大变形 10.9mm，符合西安地区湿陷性黄土地铁车站深基坑开挖引起的地表及基坑支护结构变形特性;在基坑开挖阶段，除第 3 道直撑外，内支撑轴力远小于设计值，存在较大的优化空间;内支撑结构安全可行，可为类似基坑的施工借鉴。

关键词：地铁;深基坑;支护结构;稳定性分析

中图分类号：TU753

地铁明挖车站深基坑设计与施工开挖中，既要考虑支护结构的稳定性，又要考虑在施工过程中不同阶段土体和支护结构的动态相互影响的问题[1]，这就需要对基坑工程施工力学行为进行分析研究。目前，支护结构与土体的相互作用研究处于起步阶段，基坑开挖的理论模型计算和支护结构的工作机理还不完善[2]，大多应用半理论半经验的方法[3]，多采用二维模型模拟[4]，不能全面反应基坑不同部位支撑受力与变形。本文以西安地铁某车站明挖深基坑工程为依托，建立三维有限元模型对基坑支护结构桩顶水平位移、桩体水平位移、内直撑、斜撑轴力和地表沉降进行分析，以期为后续工程提供依据。

1 工程概况

西安某地铁车站为11 m岛式车站，两端为扩大端，标准段采用单柱、双跨的地下二层现浇框架结构，车站基坑长225 m，标准段基坑宽19.7 m，深15.69 m。车站支护结构采用钻孔灌注桩+钢管支撑的支护方式，支护结构采用1 000 mm@1 500 mm钻孔灌注桩，嵌固深度为基坑底以下6 m。基坑竖向设置3道支撑，采用609 mm的钢管直撑，钢管壁厚16 mm，第1道直撑水平间距6 m，第2、第3道直撑水平间距3m，直撑段和斜撑段均采用钢围檩（图1）。

车站所处地层主要由第四系人工填土，场地地层自上而下划分为素填土、黄土状土、粉质黏土、中砂、圆砾、粉质黏土、中砂，共8层。

场地地下水位介于-15.58～-18.40 m之间，属第四系松散层孔隙性潜水，含水层主要为全新统冲积砂土、碎石土，上更新统冲积粉质黏土、砂土地层中无明显隔水层，勘察深度内无承压地下水。

2 有限元模型及计算工况

2.1 基本假设

进行建模时，对于支护结构、土层性质等按照以下假设处理：

（1）假定在基坑开挖范围内土体是均匀、各向同性的弹塑性体，土体的应力应变满足摩尔库仑模型[4];钻孔灌注桩、钢直撑和钢围檩均为理想弹性体;将桩孔灌注桩等效为600 mm厚的理想弹性地下连续墙;

（2）不考虑施工混凝土灌注桩时对土体应力和性状的影响，将开挖阶段的地层位移场清零，保留应力场;

（3）不考虑基坑开挖动态施工过程对土体力学特性的影响;

（4）基坑开挖前降水已达到设计要求，不考虑土体中的渗流作用。

2.2 有限元模型

本文地铁车站基坑有限元模型基坑宽20 m，深18.2 m，东西扩大端长14.6 m，标准段长225 m。按基坑手册，基坑影响范围为挖深的3～4倍[6]，故将模型水平尺寸设为 180 m×180 m，竖向土体取60 m，所选尺寸满足基坑手册要求，结合车站所在位置地质纵剖图，土层厚度自上而下分别取1 m、1.2 m、7 m、4.8 m、1.2 m、5m、10.2 m、29.6 m;土体本构选取摩尔库仑模型;钢支撑和钢围檩采用一维梁单元模拟，钢材为Q235B;钻孔灌注桩等效地下连续墙按板单元模拟，材料为C35混凝土;坑底垫层材料为C20混凝土。模型共包含节点145 532个、单元453 828个，三维应变单元以六面体单位为主（图2）。

2.3 模拟计算工况

按照“分区，分类，定性，定量”的原则对施工过程进行模拟，模拟计算分析基坑施工过程对土体应力、应变的影响，根据基坑施工方案，基坑开挖模拟计算工况按6个开挖阶段分为6个工况。

阶段1（工况CS1），初始地应力分析，勾选位移清零，模拟土体固结过程。

阶段2（工况CS2），支护桩施工。

阶段3（工况CS3），开挖至地表以下2.1 m，并在地表以下 1.4 m 处施工第1道钢直撑，直撑施加300 kN预应力。

阶段4（工况CS4），开挖至地表以下 9.2 m，并在地表以下 8.4 m 处施工第2道钢直撑，直撑施加500 kN预应力。

阶段5（工况CS5），开挖至地表以下14.0 m，并在地表以下13.2m处施工第3道钢直撑，直撑施加400kN

预应力，斜撑施加450 kN预应力。

阶段6（工况CS6），开挖至地表以下18.2 m，并在18.0 m处做200 mm厚的C20混凝土垫层。

3 计算结果分析

3.1 基坑水平位移

图 3给出了不同工况下基坑水平位移与基坑深度关系曲线，由图3可见，基坑最大水平位移发生在工况CS6，工况CS6时的基坑水平位移云图如图4所示，图4表明，基坑在南北向中部深度-18.2 m处产生最大水平位移为10.9 mm，基坑在东西向中部-16.7 m处产生最大水平位移为9.3 mm。产生这种现象的原因是，该基坑深度-10～-21.3 m的土层为圆砾层，黏聚力为0，抗剪能力与相邻的土体相差很大，承受相同剪力时产生侧向位移较大。

3.2 基坑竖向位移

（1）基坑开挖过程中的基坑竖向位移曲线如图5所示，图5数据表明，基坑坑底最大竖向位移发生在工况CS6，为47 mm（隆起），最小竖向位移为-6.9 mm（沉降），基坑坑边位移在-10.2～-11.8 mm之间（沉降），可见，随着基坑开挖深度的增加，坑底豎向位移起伏较大，基坑边竖向位移变化不大，基坑底部需采取必要的技术措施，防止因坑底局部过大隆起变形给基坑施工带来危害。

（2）图6给出了工况CS6时基坑周边地表竖向位移云图，由图6可见，基坑开挖完成后，基坑周边地表竖向位移（沉降）随坑壁距离的增加而减小，基坑边30m外地表沉降变化速率趋近于0。具体表现为，与坑壁距离为0～30 m范围内基坑周边地表沉降呈线性变化，由19.4 mm减小到8.2 mm，直至在距离坑壁80 m时为-7.8 mm。基坑周边地表沉降值满足警戒值30 mm要求。

3.3 围护桩水平位移

图7给出了不同工况下围护桩水平位移与桩深关系曲线，由图7可见，围护桩最大水平位移发生在工况CS6，工况CS6时的围护桩水平位移云图如图8所示，图7、图8表明，围护桩最大水平位移为10.9 mm，发生在桩深18.2 m处，小于预警值24 mm;工况CS5进行到工况CS6时，桩顶水平位移变化为0，基坑周边土体已基本稳定，这说明基坑钢支撑起到了积极作用，较大抑制了土体及桩向基坑内的移动，保障了基坑的稳定，也使得土体、围护结构和内直撑达到受力平衡。

3.4 土体应力

基坑土体的破坏主要是剪切破坏，图9给出了不同工况下基坑土体剪切应力变化曲线，由图9可见，基坑土体最大剪切应力发生在工况CS6，工况CS6时的基坑土体剪切应力云图如图10所示，图9、图10表明，随着开挖深度的增加，基坑土体最大剪切应力逐渐减小，在工况CS5～工况CS6时增加为896.486kPa，满足土体最大剪切应力100 MPa要求。

3.5 支撑轴力

3.5.1 直撑和斜撑轴力

图 11给出了不同工况下直撑轴力变化曲线，由图11可知：

（1）第1道直撑在开挖工况CS3时架设;基坑开挖到工况CS4时架设第2道直撑，此时第1道直撑的轴力有所下降;自工况CS4至CS6，第1道直撑轴力变化曲线基本保持水平。

（2）在第3道直撑架设后，第2道直撑的变化规律与第1道直撑的变化规律相似，轴力虽有小幅度变化，但整体趋于稳定。

（3）进行到工况CS6时由于基坑-10～-21.3m处土层为圆砾，其黏聚力为0，抗剪能力差，水平变形较大，这使得第3道直撑轴力由400 kN增加到1885.3kN，增加了1485.3kN，其余2道直撑轴力变化不大，说明在工况CS6时，第3道直撑对限制基坑产生较大的水平位移发挥了重要的作用。

不同工况下斜撑轴力变化与直撑类似，这里不予赘述。

3.5.2 支撑轴力计算值与设计值比较

表1为基坑开挖工况CS6时各道支撑计算最大值与设计值的统计表，由表1可知：

（1）3道直撑中，第2道直撑的计算轴力与设计轴力百分比较高，第3道支撑计算值超过设计轴力。说明在基坑开挖过程中，第2道、第3道支撑抑制了支撑结构发生过大的位移，充分发挥了直撑作用。

（2）第3道直撑轴力与超出设计值27.3%需引起注意，应采取相关技术措施，可通过增加直撑密度防止在基坑施工过程中出现安全质量事故。

（3）斜撑轴力计算值与设计值的对比表明，斜撑轴力均未超过设计值。

4 结论与建议

（1）计算分析表明，西安地铁某车站基坑施工引起的地表竖向沉降为-11.8～-10.2 mm，围护桩顶最大水平位移10.9 mm，符合西安地区地铁车站深基坑施工引起的地表沉降及基坑支护结构变形要求。

（2）工况CS5～CS6时第3道直撑轴力增加了1485.3kN，因此应着重优化第3道直撑，提高其设计强度或增加直撑密度，预防基坑施工过程直撑产生较大变形，导致安全事故。

（3）支撑架设完成后开挖下层土时，直撑轴力大幅度增加，在施工过程中应加强直撑轴力监测，保证基坑的安全。

（4）在基坑開挖阶段，除第3道直撑外，支撑轴力远小于设计值，存在较大的优化空间。在设计阶段可通过优化支撑结构的布置方式、布设密度，或者减小支护结构的截面尺寸，降低工程造价成本。

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收稿日期 2020-05-18

责任编辑 朱开明