異型斷面深基坑開挖與支護數值模擬分析

呂瑞虎，李建華，于少輝

(中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

近年來，隨著城市建設的迅猛發展，超深基坑的數量不斷增多，其斷面型式也逐漸從規則對稱向復雜異型轉變。以國內為例，采用超深基坑的工程有:北京國家大劇院基礎埋深最深處為32.5 m，潤揚長江大橋北錨碇基坑平均開挖深度達到48 m，上海軌道交通董家渡修復工程開挖深度達到41 m，外環隧道浦西暗埋段基坑、世博變電站等基坑開挖深度都達到了30 m以上。采用異型斷面基坑的工程有北京西客站地鐵車站、北京地鐵六號線3標1號換乘廳、蕪湖地下人防工程、深圳地鐵車站一期工程、上海軌道交通某盾構措施井等。異型斷面深基坑由于開挖深度大、斷面異型及明顯的空間效應，造成基坑內外應力場的非常態分布。如施工中未針對圍護結構變形和受力特征采取有效保護措施，將引起基坑變形的加速，導致圍護結構的破壞，對工程本身及周圍環境都將造成不可估量的損失。文獻［1］利用FLAC 3D有限差分法分析軟件，對上海軌道交通某開挖深度為27 m的異型超深基坑進行建模計算，得出了該異型超深基坑的變形計算結果和變形控制要點。文獻［2］結合某一地鐵車站異型基坑，考慮基坑上下部分土體之間的相互作用對基坑穩定性的影響，分析了基坑在不同的水平臺階寬度情況下的穩定性。文獻［3］對蕪湖某住宅小區地下人防工程的異型基坑圍護結構進行了工程設計研究。文獻［4］研究不同的墻體剛度和支撐剛度對基坑地連墻彎矩、應力和水平位移、支撐軸力以及對基坑周圍地面沉降幅度和范圍的影響規律。文獻［5］利用理論分析、數值模擬，對深基坑開挖過程中引起的土層位移、地表沉降分布規律以及支護結構的位移、應力改變等相關內容進行研究。文獻［6］研究黃土深基坑在開挖進程中地表變形和支護結構水平位移變化規律。上述文獻主要側重于基坑開挖過程中圍護結構和周圍土體的變形、受力、穩定性研究，未涉及主體結構施作及拆撐過程中主體結構、圍護結構、周圍土體三者之間的協調變形及其受力特征。因此，以北京地鐵6號線03標1號換乘廳為例，研究異型斷面深基坑開挖及主體結構施作過程中主體結構、圍護結構、周圍土體三者之間的變形和受力規律，以期為今后類似工程提供借鑒。

1 工程介紹

1.1 工程概況

1.1.1 設計概況

朝陽門站位于東西向的朝陽門內大街與東二環路交叉路口以西，車站總長188.0 m，本站附屬結構共設2個換乘廳、4個出入口、2個出入口兼換乘通道、3個換乘通道、1個無障礙出入口、1個疏散口及2個風道等。本工程為地鐵6號線一期工程朝陽門車站附屬工程1號換乘廳明挖基坑工程。

1號換乘廳位于東二環路西側，中國海洋石油大廈東側，南側緊鄰朝內大街交通主干線。結構位于中海油大廈東側的綠地內，如圖1所示。基坑長度為53.1 m，基坑寬為20.4(23.4)m，淺基坑深約16.7 m，深基坑深約31.2 m，頂板覆土3.36 m，采用明挖法施工，為目前北京地區最深異型基坑。支護結構采用圍護樁+鋼支撐+網噴支護體系。

1.1.2 工程地質概況

擬建場地平整后地形平緩，地面標高為43.3 m。場地內地層結構由上至下為人工堆積層(Qml)、第四紀全新世沖洪積層(Q4lal+pl)和第四紀晚更新世沖洪積層(Q3al+pl)。1號換乘廳明挖基坑穿過的地層情況由上到下依次為:雜填土①1層、粉土填土①層、粉土③層、粉細砂③3層、中粗砂④4層、圓礫卵石⑤層、粉土⑥2層及粉質黏土⑥層交錯分布土層及圓礫卵石⑦層，局部為粉質黏土③1層、粉質黏土④層、中粗砂⑤1層及粉細砂⑦2層，基底位于圓礫卵石⑦層。根據工程地質勘察報告及工程經驗，巖土層力學參數如表1所示。

圖1 1號換乘廳深基坑工程平面布置圖Fig.1 Plan of No.1 transfer hall project

表1 巖土層力學參數Table 1 Mechanical parameters of rock and soil strata

1.2 施工工序

見表2。

2 材料非線性計算分析理論

ANSYS中的Drucker-Prager(簡稱DP)準則是莫爾－庫侖準則的近似，通常稱為DP準則或廣義密賽斯準則，是在密賽斯準則的基礎上考慮平均主應力對土抗剪強度的影響而發展的一種準則。DP準則的屈服不隨材料的逐漸屈服而改變，因此沒有強化準則，其本構模型采用理想化彈塑性，可采用關聯流動法則或非關聯流動法則。該法則的屈服強度隨著側限壓力的增加而增加，考慮了由于屈服而引起的體積膨脹，但不考慮溫度變化的影響。該模型適用于顆粒狀材料，如土、巖體、混凝土等。

DP 屈服準則可表示為［7］:

式中:{S}為偏應力，kPa;σm=1/2(σx+σy+σz)為平均應力，kPa;［M］為常系數矩陣。

式中:β為材料常數;σy為屈服強度;φ為材料的內摩擦角，(°);c為材料的黏聚力，kPa。

3 計算模型及假定

3.1 計算模型

基坑平面屬于窄長形，開挖引起的變形主要以地表沉降和圍護結構的側向變形為主，沿基坑長度方向位移很小，因此，當進行數值模擬分析時，基坑變形符合平面應變基本條件。根據圣維南原理，左右邊界取基坑跨度的4倍，下邊界取基坑深度的2倍，最后確定計算范圍為120 m×80 m。邊界條件的約束為左右邊界水平方向位移約束，下邊界豎向位移約束［8］，同時施加重力加速度以及地面荷載。

為簡化計算，樁底以上各層土的物理力學性質指標按各層土的厚度加權平均計算［3］。

式中:γi為墻底以上各層土的天然重度，kN/m3;φi為墻底以上各層土的內摩擦角，(°);ci為墻底以上各層土的黏聚力，kPa，根據表1取值;hi為墻底以上各層土的厚度，m。

由于本工程不同于一般斷面及平面均規則的深基坑工程，其周邊不同部位圍護結構的受力和變形差異較大，設計定義了A型、B型、C型3類鉆孔灌注樁以適應本工程受力和變形復雜的特點(見圖2)，其樁徑和間距分別為 0.8，1.0，1.0 m 和 1.4，1.4，1.5 m。本工程鉆孔灌注樁的中心距均小于3倍的樁徑，因此，可將其等效為板樁墻［9］，從而可將間斷布置的鉆孔灌注樁簡化為二維構件在模型中加入。等效后的板樁墻彈性模量E可按支護樁及樁間土的彈性模量的加權平均值進行計算，即

式中:Ep為樁的彈性模量，kPa;d為樁徑，m;Es為樁間土的彈性模量，kPa;u為樁間距，m。

土體、等效后的板樁墻、主體結構均采用平面八節點單元，即plane 82單元，臨時鋼支撐采用beam 188單元，單元網格采用自由網格劃分，且在樁、土、主體結構相互接觸部分進行網格加密。通過包含“重疊單元”與“生死單元”的14個荷載步實現對基坑開挖、支護的模擬計算，整體結構及周圍土體有限元模型如圖3所示。

圖3 整體結構及周圍土體有限元模型Fig.3 Finite element model of integral structure and surrounding soil

3.2 計算假定

1)不考慮基坑降水及分步開挖對數值分析結果的影響。

2)假定鋼支撐架設于開挖面標高處，不考慮0.5 m的施作空間。由于基坑開挖深度較大，此假定對計算結果的影響可忽略。

3)假定土體、圍護結構、主體結構相互之間不存在接觸滑動，即認為三者之間始終保持變形協調。

4)土體假定為符合DP準則的彈塑性體，圍護結構、主體結構假定為線彈性體。

4 計算結果分析

4.1 變形分析

基坑主體結構施工完畢后，計算模型的水平和豎向位移分布情況見圖4。由圖4(a)可以看出:不同于一般規則基坑，計算范圍內水平位移場不均勻分布。由于深淺基坑交接錯臺，使得深基坑底部位移變化較大，尤其是基坑斷面左下角部水平位移明顯大于其相鄰部位。最大和最小位移發生于回填土范圍內，說明基坑開挖和支護過程中發生較大的水平位移，對主體結構的施作精度產生不利影響。

由圖4(b)可以看出:計算范圍內的豎向位移場基本呈現以深基坑中軸為對稱軸的均勻分布形態。基坑外兩側土體普遍沉降，基坑內下部土體則普遍隆起，且主體結構也存在一定的隆起現象。但由于異型斷面基坑中平臺的存在，平臺處成為沉降和隆起的分界面。

4.1.1 地表沉降分析

取深基坑左側5個測點和右側3個測點進行分析，測點的方位與每個工序下的累計沉降值如圖5所示。

由圖5可知:1)開挖1部土體時，地表最大累計沉降值為0.37 mm;2)當開挖深度為24.481 m時，最大累計沉降值達10.58 mm;3)隨著開挖深度的不斷加大，地表最大累計沉降值也不斷變大，開挖至基底時最大累計沉降值已達整個工程施工階段最大累計沉降量16.93 mm，與實際監測值12.69 mm較為接近;4)隨著基坑的封底和主體結構由下向上逐層施作，封閉的結構控制了擾動土層應力場的繼續擴散，自重應力的不斷增大又使得土層應力場向初始應力場轉變，這2種作用相互影響的結果表現為地表隆起。基坑封底至主體結構施作完成，地表最大隆起量為8.66 mm。

4.1.2 基底隆起分析

取深基坑斷面底部中心和兩側共3個測點進行分析，測點的方位和在每個工序下所對應的累計隆起值如圖6所示。

圖6 基底隆起曲線Fig.6 Curves of uplifting of the floor

由圖6分析可知:1)底部3個測點在每個工序下都存在隆起現象，且基本中部隆起較大;2)開挖1部土體時，基底最大隆起值僅為0.53 mm;3)當開挖深度為24.481 m時，最大隆起值已達13.76 mm;4)隨著開挖深度的不斷加大，基底隆起值也不斷變大，開挖至深基坑基底時最大累計隆起量已達整個工程施工階段最大隆起值33.05 mm;5)隨著基底的封閉和主體結構自重應力的不斷增大，這種“反壓效應”使基底隆起量逐漸變小。基坑開始封底至主體結構施作完成期間，基底隆起量減小了9.91 mm。

4.1.3 圍護結構水平位移分析

取A型樁等距5個節點，繪制A型樁在各工序下的水平位移曲線，正值表示向基坑內位移，負值表示向基坑外位移，見圖7。通過分析可知:1)樁頂始終向基坑外位移，且一直增大至工程結束。2)隨著開挖深度不斷增大，負位移點逐漸增多，即樁體反彎點逐漸下移。至基坑開挖完畢，反彎點移至樁體中下部。此后至工程結束，反彎點雖略有上移，但其位置基本保持不變。3)樁端位移始終向基坑內位移，且在整個工程施工階段，基本處于增大態勢。尤其從開始施工到開挖至基底階段，位移增速較大，其后一直保持較大位移。建議今后類似工程設計時應適當增加樁體長度，以保持圍護結構的穩定性。

圖7 A型樁側向位移曲線圖Fig.7 Curves of lateral displacement of Type A pile

由于土體開挖過程中，B型樁上部將被逐步切除，對其下部位移影響較小，故取平臺以下B型樁等距5個點，繪制下部B型樁在各工序下的水平位移曲線，正值表示向基坑內位移，負值表示向基坑外位移，見圖8。通過分析可知:1)當開挖深度較淺時，B型樁變形主要受土體原始應力場擾動的影響，樁頂向基坑內位移。2)隨著開挖深度不斷增大，樁頂向基坑外位移，樁體出現反彎點。至基坑開挖完畢，正負位移均不斷增大，反彎點位于樁體上部接近錯臺的位置。此后至工程結束，樁體位移基本保持不變。3)樁端位移始終向基坑內位移，最大值為3.71 mm(工序5)，建議今后類似工程施工時應適當加強樁體水平位移監測頻率，保證施工及結構的安全。

圖8 B型樁側向位移曲線圖Fig.8 Curves of lateral displacement of Type B pile

4.1.4 平臺水平位移分析

由于異型深基坑中平臺的存在，使得其變形特征比一般的深基坑更為復雜。選取平臺上5個測點，繪制其水平位移圖(如圖9所示)。正值表示向基坑內位移，負值表示向基坑外位移，通過分析可知:1)隨著土體開挖(工序1)，平臺發生基坑內的位移;2)當開挖至平臺處(工序2)，平臺左半部基坑內位移增大，右半部由于坑底隆起效應影響產生基坑外位移;3)隨著A型樁和B型樁通過平臺連為一體(工序3)，平臺各測點位移均減少;4)隨著平臺下部土體的開挖，基底土壓力不斷增大，平臺均表現為基坑外位移，并在工序5施作時達到最大值23.5 mm;5)隨著后續工序的施作，樓板形成的框架體系約束作用明顯，平臺位移不斷變小。鑒于施工中存在復雜平臺變形，建議增強淺基坑基底下土體加固效果和范圍，防止平臺失穩坍塌，提高施工中維護結構可靠度。

圖9 平臺水平位移曲線圖Fig.9 Curves of horizontal displacement of the platform

4.2 受力分析

圖10為工序4和工序8的整體有限元模型等效應力云圖。通過分析可知，圍護樁與鋼支撐接觸點、圍護樁與主體結構接觸處以及深淺基坑交界處的錯臺面均存在較大的等效應力，說明在這些部位存在明顯的應力集中現象。建議以主體結構滿足設計要求為基礎，在圍護結構施作、主體結構回筑過程中、應力集中部位可選用有效的連接或接觸措施，如選用半剛性節點、設置柔性層等，確保結構與圍護樁密貼并允許少量變形，以緩解應力集中現象，避免結構遭受破壞。

圖10 等效應力云圖Fig.10 Cloud of equivalent stress

5 結論與建議

通過對異型斷面深基坑開挖與支護的數值模擬分析，并結合施工經驗，結論與建議如下。

1)A型樁樁端在整個工程施工過程中位移較大，且一直處于增大態勢，建議今后類似工程設計時應適當增加樁體長度及與B型樁的連接剛度以增加圍護結構的穩定性。

2)該異型斷面深基坑開挖深度大，易對周邊環境產生較大影響;而4層樓板形成的框架體系約束作用明顯，為控制圍護變形提供了有利條件，可供其他異型基坑設計參考。

3)異型基坑的內支撐體系布置應充分考慮基坑異型帶來的薄弱點，重點關注結構斷面的變化點(特別是水平臺階處)。通過快速及時完成A，B型樁之間的連接、增大平臺下部鋼支撐的剛度和預應力等措施確保平臺穩定。

基于建模簡便采用了較多假定，計算結果與基坑實際變形特征可能存在一定程度的差異，且未進行土體與圍護結構、圍護結構與主體結構之間的接觸分析及整體模型三維數值模擬分析，建議今后此類研究應通過適當簡化最大限度模擬實際工況，并對上述問題進行分析以充分考慮基坑空間效應。

［1］ 侯玉偉.上海軌道交通異形超深基坑施工過程數值模擬分析［J］.城市軌道交通研究，2010，13(6):28－31.(HOU Yuwei.Analog analysis of the numerical value of difform deep-pit engineering in Shanghai Metro［J］.Urban Mass Transit，2010，13(6):28 －31.(in Chinese))

［2］ 董月英，雷震宇，包旭范.異型斷面基坑的穩定性分析［J］.隧道建設，2004，24(1):64 － 67.(DONG Yueying，LEI Zhengyu，BAO Xufan.The analysis of stability of pit with unique section［J］.Tunnel Construction，2004，24(1):64 －67.(in Chinese))

［3］ 劉文白，王夢瑜，車壽川.蕪湖地下人防工程異型基坑圍護工程設計［J］.巖土工程學報，2006，28(Z1):1600－1604.(LIU Wenbai，WANG Mengyu，CHE Shouchuan.Design of unique pit exterior-protected construction engineering on underground civil air defense in Wuhu city［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(Z1):1600 －1604.(in Chinese))

［4］ 熊孝波，桂國慶，鄭明新，等.基于ANSYS的深基坑圍護結構變形數值模擬分析［J］.地下空間與工程學報，2009，5(S1):1298 － 1305.(XIONG Xiaobo，GUI Guoqing，ZHENG Mingxin，et al.Numerical simulation of bracing structure deformation for a deep pit foundation based on ANSYS software［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2009，5(S1):1298 － 1305.(in Chinese))

［5］ 楊貴生，李雨潤，李雨辰.超深基坑支護開挖對土體變形影響數值模擬研究［J］.鐵道工程學報，2008，117(6):32 －35.(YANG Guisheng，LI Yurun，LI Yuchen.Numerical simulation study on the influence of extremely deep pit bracing and excavation on soil deformation［J］.Journal of Railway Engineering Society，2008，117(6):32 － 35.(in Chinese))

［6］ 趙敏，曹衛平，何暉，等.黃土地區某深基坑變形數值模擬分析［J］.西安工業大學學報，2009(6):579－583.(ZHAO Min，CAO Weiping，HE Hui，et al.Numerical analysis of deformation characteristics for a deep pit in loess area［J］.Journal of Xi’an Technological University，2009(6):579－583.(in Chinese))

［7］ 王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007:493－494.

［8］ 李圍.隧道及地下工程ANSYS實例分析［M］.北京:中國水利水電出版社，2008:332.

［9］ 陳福全，楊敏.地面堆載作用下鄰近樁基性狀的數值分析［J］.巖土工程學報，2005，27(11):51 － 55.(CHEN Fuquan，YANG Min.Numerical analysis of piles influenced by lateral soil movement due to surcharge loads［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27(11):51 －55.(in Chinese))