地鐵車站深基坑開挖及支護理論

邢獻軍

摘要：地鐵車站深基坑支護情況比較復雜，受到的影響因素較多，利用計算分析的結果以及變形機理，能夠預判施工中可能出現的各種引起事故的因素，利用土壓力公式能夠最大限度的保證計算結果的準確性。本文從地鐵車站深基坑支護土壓力計算、深基坑支護結構的內力分析、深基坑支護變形機理、深基坑支護結構與土體共同變形原理、深基坑支護結構內力與變形的影響因素五個方面進行了分析。

關鍵詞：深基坑 支護結構

地鐵車站深基坑開挖屬于大規模利用地下空間開發范圍，地鐵車站深基坑大多都在繁華的城市中心地段開挖。在地鐵車站深基坑開挖中，由于存在大量的市政管線分布以及道路荷載，如果不加以重視就有可能出現嚴重的施工事故，所以在施工設計中就要嚴格的保證施工的強度和穩定性。通過對地鐵車站深基坑施工過程中支護內力與變形規律分析，利用計算分析的結果，能夠預判施工中可能出現的各種引起事故的因素，從而對基坑設計和施工具有指導作用。

1深基坑支護中的土壓力計算

1.1經典土壓力理論在基坑支護中的運用

經典的朗肯土壓力理論和庫侖土壓力理論已經廣泛地應用于支護結構的土壓力計算中。由于土性的復雜、施工方法不同、支撐結構剛度存在差異導致作用于支護結構上的土壓力會發生很大的變化。朗肯土壓力理論和庫侖土壓力理論計算方法已經被工程中作為基本的計算方法。

(1) 朗肯土壓力

朗肯土壓力主要是支護結構的土體處于極限狀態，是從土中的極限平衡力出發。求出作用在土中的光滑豎直面上的土壓力強度和土壓力分布，然后再計算作用墻背上總壓力。

朗肯土壓力在計算過程中忽略墻背與土體的摩擦以及土體之間的剪切力作用。但是對于大多數的擋土墻來說，朗肯主動土壓力偏大被動土壓力偏小。

(2) 庫侖土壓力

庫侖土壓力是在墻后的土楔體整體處于極限狀態下求出的總土壓力。

庫侖土壓力是將墻后的填土理想化，不將粘性土的粘聚力放進考慮范圍內，所以此理論實際只適用無粘性土。而在實際的工程中，經常遇到粘性土，所以在被動狀態的土壓力偏大并與理想假定的平面滑裂情況差異較大。

1.2支護結構與土體之間摩阻力影響

支護結構的表面往往都是不完全光滑，相對粗糙，因此與土體之間必然會形成摩擦力。在挖掘的時候，應將摩阻力考慮進去。在計算柔性支護結構墻前需要考慮支護結構與土體之間的摩阻力。將朗肯土壓力和庫侖土壓力有機的結合在一起。土壓力的計算應采用朗肯土壓力公式，但土壓力的系數應采用庫侖土壓力的公式。

2深基坑支護結構的內力分析

2.1深基坑支護結構的內力計算

深基坑支護結構的內力計算主要有三類：

(1) 傳統常規設計方法。選取一定樁體入土深度，利用經典土力學理論計算作用于樁上的主動與被動土壓力，根據計算內力的結果，分析支護結構的穩定性，這種方法是設計中主要的應用方法。

(2) 彈性抗力法。由于對支護樁墻有嚴格的位移控制要求，所以坑內很難達到完全的被動狀態，我們就把這種狀態仍然看作彈性抗力階段，可按彈性抗力來設計支護結構的內力和變形。

(3) 有限元分析法。這是一種將多種復雜因素綜合考慮的設計方法。采用非彈性土體本構模型來解決支護結構上的土壓力問題。但是其實用難度較大，多數情況仍作為輔助設計方法。

2.2內支撐內力計算

按照不同情況支撐構件的內力和變形分為以下計算方法：

(1) 對于形狀比較規則的基坑，可采用相互正交的支撐體系

1) 支撐軸向力可以按照支撐中心距與圍護結構沿長度方向分布的水平反力乘積來進行計算。當支撐與圍檁斜交時，應該考慮水平力在圍檁長度方向產生的軸向力的作用，其水平反力應該取支撐長度方向的投影。

2) 在有垂直荷載作用的條件下，支撐的變形與內力可看似單跨梁或者多跨梁來分析計算，當混凝土圍檁在水平作用下，變形和內力應按照多跨梁計算分析，鋼圍檁的變形和內力應該按照簡支梁進行計算，其中計算跨度應該用相鄰立柱的中心距。

3) 立柱的軸向力應該取橫向支撐的支座反力之和。

(2) 對于非常復雜的支撐體系來說，應該采用空間桿系模型來計算

我們將支撐結構可以看作一個平面的框架，將其從支護結構體系中分割出來，在分割處應加上相應的圍護結構的內力，以及作用在支撐上的其他荷載，利用空間桿系模型進行分析。為了計算方便，我們將加在分割處的內力只考慮由圍護結構靜力計算確定沿圍檁長度方向正交分布的水平力。計算模型的邊界條件應有以下原則：

1) 在圍檁與水平支撐交點處，以及圍檁的轉角處分別設置豎向鉸支座。

2) 基坑四周與圍檁長度方向正交的水平荷載在不均勻分布的情況下，應防止模型整體平移或者轉動的水平約束。

隨著數值分析技術不斷發展，有限元分析法正在逐步的運用到基坑設計的各個領域。在不斷地發展過程中，設計理論與設計計算方法也在不斷發展與完善。在復雜的地質結構與土體變形場的耦合作用以及基坑開挖的時空效應影響下，基坑開挖過程中的支護結構位移與內力變化在傳統解析方法下難以掌握。隨著基坑開挖的不斷發展，對引起周圍建筑物與地下管線的影響日益突出，更多的環境因素決定的地層變形在未來的重要工程中起著主導作用。

3地鐵車站深基坑支護變形機理

地鐵車站深基坑開挖過程是一個不斷卸掉載荷的過程，坑內的土體不斷被挖出，使其自重應力不斷地被釋放，導致基坑變形。基坑變形分為：基坑底部土體隆起、地表沉降、墻體側移。

(1) 基坑底部隆起

基坑開挖引起自重應力導致基坑坑底向上回彈，支護結構對土體進行擠壓，導致基坑隆起，改變了原始土體的應力狀態。在開挖基坑的初期。由于開挖深度不是很大，坑底土體在卸荷后發生垂直隆起，圍護墻也被抬高，中間隆起高度要大于兩側，但是不是影響圍護墻體的側向變形。隨著開挖深度不斷加大，基坑坑底就會產生塑性隆起。基坑周圍也會形成塑性區，同時伴隨著沉降。兩側的隆起高度逐漸超過中間的。

(2) 地表沉降

隨著開挖深度不斷加大，基坑周圍的土體塑性區也不斷擴大，土體不斷向基坑坑底移動，導致圍護墻體后產生地層沉降。地表沉降發生在墻體入土深度不大的軟弱層時，強抵觸具有較大的水平位移和地表沉降。地表沉降發生在墻體入土深度較大的剛性層時，墻體的變位與梁的變形相似。

(3) 墻體側移

墻體發生水平側移是由基坑隆起引起墻體兩側產生壓力差導致。圍護結構墻體的變形從水平方向影響基坑外圍土體的應力狀態，從而使地層移動。周圍地層移動的原因是由墻體變形造成的。墻體外側發生地層損失的同時地表也在沉降，并且周圍塑性區不斷擴張，從而加快了墻外土體向坑內移動和坑內土體的隆起。基坑開挖初期，還沒有設置支撐的時候，墻頂位移表現最大，向基坑的水平方向位移，隨著開挖深度的加大，其剛性墻體依舊向水平方向位移，但是柔性墻體的位移就不斷地向基坑外部移動。

4地鐵車站深基坑支護結構與土體共同變形原理

共同變形是墻體在一定的土壓力作用下變形，這種變形同時反作用于土壓力的分布。

(1) 在計算的初始狀態下，假定墻體完全沒有變位，土壓力應按照靜止土壓力考慮。

(2) 假設墻體、地基及水平支撐為彈性體。

(3) 假設水平支撐只承受壓力，而不承受拉力。

(4) 墻上不同的深度處的水平基床系數 、墻體剛度 及水平支撐的彈簧系數 ，根據地下連續墻和地基的情況分別采取不同的數值。

(5) 不考慮因墻體的水平變位而產生的地基在垂直方向的拱作用影響。

對使用橫軸支撐的擋土墻，如果在墻體產生位移之后再去進行設置橫軸支撐，那么作用在墻體上的土壓力將會小于靜止土壓力，如果墻體產生較大的位移，那么我們要將其減小到主動土壓力。如果橫軸支撐施加初始軸向力，則作用在墻體上的壓力會大于設置橫撐前的土壓力，其增加值取決于施加初始軸向力的大小，極限情況與被動土壓力相等。通過調整橫軸支撐預加軸力來減小墻體的位移。地下連續墻通常運用二維有限單元法，這種方法不用先假定土壓力，能夠直接的反映土體與結構的共同作用。地層特性、分布開挖及支護結構都是影響二維有限單元法在基坑開挖中的因素。

5地鐵車站深基坑支護結構內力與變形的影響因素

深基坑支護結構內力與變形的影響因素分為：深基坑工程條件、支護墻體的剛度、施工開挖過程。

(1) 深基坑工程條件

深基坑工程地質條件包括環境條件，氣候條件，水文條件，工程地質。其中工程地質和水文條件最為重要，是基坑支護方法和開挖方法以及降水方法的基本依據。地下水能夠造出滲流和管涌能夠影響土體變形。所以要做好降低水位，可有效的防止管涌，減少沉降。基坑的寬度以及開挖的深度都直接影響基坑的變形。地基土上的各種物理指標也是重要因素。

(2) 支護墻體的剛度

增加墻體的厚度可以有效的使支護墻體的水平位移減小，同時使主動土壓力增加，這個時候被動土壓力主要承擔墻體內側的土壓力，厚度增加同時伴隨著剛度的增加，墻體底部的水平位移也逐漸增大。墻體厚度不斷增大后，其表現為支護墻體的彎矩不斷增大，降低地表沉降的作用也不斷減小。在滿足墻體強度的情況下，要盡可能的運用各種方法來減小墻體水平位移和地表沉靜。

(3) 施工開挖過程

施工組織重要組成部分是基坑分布開挖深度和支撐順序。施工過程是影響基坑變形的重要因素。施工時應嚴格按照施工設計進行開挖，要及時地施加預應力和安裝支撐。■

參考文獻

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