西安地鐵車站深基坑變形規律的有限差分法模擬*

任建喜 王 江 孟 昌 陳 江 朱元偉 王 松

(西安科技大學建筑與土木工程學院，710054，西安∥第一作者，教授)

地鐵深基坑圍護結構較一般基坑需要解決的問題多而復雜，尤其是在確保深基坑的安全穩定方面［1－3］。許多專家和學者對深基坑變形影響規律進行了研究，并且取得許多成果［4－7］。但對黃土地區地鐵車站深基坑圍護結構變形規律和周圍環境穩定的研究成果還不多，研究深基坑變形規律及加強施工過程圍護結構變形和周圍環境變形的監測，對地鐵車站深基坑安全施工意義重大［8－9］。盡管基坑監測方法和手段得到了很大提高，監測項目也更加完善，但是，監測單位大多只注重數據采集，而未能做到結合施工方案、水文地質等對監測數據進行深入分析［10］。本文以西安地鐵大差市車站深基坑為工程背景，對黃土地區深基坑圍護結構的變形規律進行分析研究，目的是為西安地區地鐵車站建設中的深基坑圍護結構設計提供參考，從而確保施工過程中深基坑的安全穩定。

1 工程概況及水文地質條件

1.1 工程概況

大差市車站深基坑屬于西安地鐵4號線特長、特大深基坑，地處市中心繁華地段，周圍環境十分復雜。該車站為地鐵4號線與6號線換乘車站，地鐵4號線車站站臺中心里程為YCK15+598.500，車站總長501.30 m，標準段寬22.70 m，高15.01 m，車站總建筑面積為27 822.94 m2。車站主體結構采用3跨2層結構，換乘節點處3跨3層，基坑開挖深度16～24 m。根據現場交通組織情況采用明挖順作法施工，換乘節點處采用全鋪蓋順作法施工。

擬建車站位于西安市東西與南北兩條繁華商業大街的十字交叉處，呈南北走向布置。車站站址周圍商業繁華、建筑密集，其中距車站較近處就有多座2～13層混凝土結構建筑物。

1.2 水文地質條件

場區地下水為第四系松散層孔隙潛水，地下水潛水位埋深7.0～8.8 m，水位年變幅2.0 m 左右。含水層主要為弱透水的黏性土夾砂層透鏡體，潛水含水層厚度大于50 m。

地下水位的變化主要受降水、蒸發以及人工開采等因素的影響，一般每年7～9月為枯水期，地下水位最低，12月至次年2月為豐水期，地下水位最高。

2 深基坑圍護結構變形現場監測方案

根據大差市車站深基坑工程的重要性、施工難易程度、圍護結構強度以及周圍鄰近建筑物的變形控制要求等因素，確定該深基坑圍護結構變形監測內容，主要包括圍護樁水平位移、支撐軸力、基坑周圍地面沉降。車站支撐平面布置與部分監測點位置詳見圖1。

圖1 車站支撐平面布置與部分監測點位置圖

3 深基坑開挖過程FLAC數值模擬

FLAC(有限差分法)數值計算軟件基于有限差分法原理，主要適用巖土工程的力學分析。本文計算采用FLAC軟件進行數值計算，研究深基坑開挖過程中圍護結構變形規律。該車站深基坑屬于特長、特大深基坑，由2個標準段和1個換乘段組成，其中靠近南段的標準段周圍環境較復雜，有高樓存在。為了能夠更好地研究深基坑內的圍護結構變形規律以及建模方便，選取基坑南段的標準段作為研究對象。

3.1 模型建立

深基坑開挖過程中圍護結構和基坑周圍地表變形的影響范圍取決于基坑形狀、土方的開挖深度以及地質條件等因素。為了能夠真實地模擬開挖過程，選取大差市地鐵車站標準段南段基坑實際尺寸，開挖寬度為22.7 m，開挖深度為16.0 m。根據圣為南原理，影響區域應為開挖尺寸的3～5倍。因此，本節在進行數值計算時選取80 m×60 m×50 m(長×寬×高)的區域建立深基坑FLAC計算模型。進行網格劃分后，模型產生245 032個單元，249 911個節點。計算模型見圖2。考慮到深基坑邊緣可能存在的施工堆載等因素，在距基坑坑壁10 m范圍內施加均布超載q=20 kPa;模型表面為自由面，其余五面均設法向約束。

3.2 本構模型

土體的本構模型體現了土的應力應變特性，要研究基坑開挖對圍護結構的擾動影響，就必須建立適當的本構關系，通過本構關系可以反映出基坑周圍土體在土方開挖擾動下的變形特性，進而可以分析圍護結構的變形特性。摩爾－庫侖本構模型能夠很好地反映土體在擾動作用下的應力應變特性，因此，本文計算采用摩爾－庫侖本構模型。

圖2 深基坑計算模型及單元劃分

3.3 計算參數和計算工況

根據大差市地鐵車站巖土工程勘察報告和工程地質剖面圖，將深基坑所處位置的地層劃分為7層，土層分布及其物理力學參數見表1。

結合大差市地鐵車站深基坑的施工工序，將每一階段土方開挖當做1個計算工況，則整個土方開挖過程可以分為4個計算工況。工況1計算前，首先要進行自重應力求解以及鉆孔灌注樁施作計算。

(1)工況1:開挖至3 m，施做第一道鋼筋混凝土支撐;

表1 各層土物理力學參數表

(2)工況2:開挖至7 m，施做第二道鋼支撐;

(3)工況3:開挖至12 m，施做第三道鋼支撐;

(4)工況4:基坑開挖直至設計標高16 m處，清槽。

3.4 土方開挖的模擬

深基坑土方開挖之前，土體的初始應力場只為重力場，運用FLAC軟件進行土方開挖施工模擬時，一般多采用空單元法，通過改變單元剛度矩陣執行空單元法的開挖;在此基礎上還要假定被挖單元的質量、荷載等效果也為零，以此來實現單元的開挖。運用空單元法模擬深基坑土方開挖時，在重力場作用下，得到的應力場即為開挖后土體的實際應力場。但是，開挖后的位移場則不同，減去初始位移場之后才是開挖后的土體實際位移場。

空模型代表從建立的模型中移去深基坑實際開挖斷面的那部分單元，開挖過程就是土方開挖面周圍土體的卸載過程，因而挖掉其內部的單元后，開挖區域的單元應力自動清零，即:

式中:

N——節點;

σij——點的應力狀態(包含9個應力分量)。

3.5 支護結構的模擬

利用等效剛度原則，圍護結構采用各向同性彈性模型的實體樁單元模擬鉆孔灌注樁，在兼顧模擬精確度的前提下，盡量使模擬分析過程簡化，樁徑為1 000 mm。混凝土和鋼支撐采用FLAC自帶的實體Beam單元，臨時立柱采用Beam單元，在端頭構件處施加一對等大反向的力來模擬預應力，以便準確地模擬鋼管內支撐的實際受力狀態。

3.6 深基坑變形規律FLAC模擬計算結果分析

地鐵車站深基坑采用明挖法施工時，基坑開挖面下部土層受開挖的影響很大，基坑周圍土體在不同開挖階段擾動下發生的水平位移如圖3所示。

FLAC計算嚴格按照土方開挖及支護的施工工藝進行真實的施工模擬，能夠比較真實地預測基坑開挖帶來的基坑穩定問題。從圖3可以看出，隨著基坑開挖的深度不斷增大，基坑水平位移逐漸增大，這是因為土方開挖卸載，打破了土體的初始應力狀態，使得基坑附近的土體在主動土壓力作用下向坑內發生位移。在內支撐作用下，前三種工況下基坑周圍土體向坑內發生的水平位移量較小，介于3.51～4.95 mm，但是當基坑開挖至設計標高時，基坑水平位移增大到7.42 mm。工況3、工況4坑底與坑壁交界處附近的土體受到向坑內的水平位移，這是因為該區域的土體受到主動土壓力較大，導致坑底土體出現向上隆起的趨勢。在整個深基坑施工過程中，鋼支撐對于限制基坑變形發揮了重要作用，使得基坑向坑內發生位移的速率逐漸變小。

圖3 不同開挖階段基坑水平位移圖

從圖4可以看出，隨著基坑開挖的深度不斷增大，基坑整體豎向位移逐漸增大，基坑底部出現明顯的隆起，最大隆起量為15.32 mm，發生在坑底中心。

圖4 基坑開挖完成后豎向位移云圖

3.7 圍護結構變形計算值與實測值對比分析

3.7.1 樁體水平位移

將數值計算得到的ZQS－7樁體水平位移與現場實測進行對比分析(見圖5)。

從圖5可知，各工況下樁身變形實測趨勢與計算趨勢基本吻合，數值計算得出圍護樁8～12 m處水平位移最大，位于基坑中部到三分之二基坑深度，與現場實測結果基本保持一致。但數值計算過程中由于忽略滲流和時空效應對圍護結構變形的影響，使得樁體水平位移的計算值與實測值存在一些偏差，均表現為數值模擬值小于實測值。

3.7.2 內支撐軸力

以斷面1－1上第一道鋼筋混凝土支撐ZL1－6為例，分析土方初始開挖到基坑基本穩定后支撐軸力的變化規律。實測結果與計算結果對比曲線見圖6。

從圖6可以看出，實測所得第一道鋼筋混凝土支撐在前27天軸力波動小，變化比較穩定。在第28天時軸力發生突變性增長，由24.13 kN增加到31.2 kN，原因在于施加了第三道鋼支撐，這與計算結果曲線的變化趨勢相吻合。施做第三道鋼支撐完成后，軸力值略有波動，在開挖至基坑底部時，軸力略有增加且逐漸趨于較穩定，表明內支撐對深基坑變形有明顯的抑制作用。

3.7.3 深基坑周圍地表沉降

在計算過程中，嚴格按照現場地表沉降監測點的布置方式進行監測，并將計算所得到的地表沉降監測數據進行整理分析，得出基坑開挖完成時周圍地表豎向位移實測結果和計算結果對比曲線，見圖7。

從圖7可以看出，地表沉降曲線均呈“拋物線”，在地表沉降曲線變化趨勢上，FLAC數值計算所得與現場實測所得基本吻合，沉降槽中心均發生在距坑壁8m處，基坑施工對距基坑20 m以外的地表影響很小。地表沉降計算值最大5.01 mm，較實測值小了32.6%，因為沒有考慮滲流對周圍地表沉降的影響。

圖5 ZQT－7樁身水平位移計算值與實測值對比曲線

圖6 鋼筋混凝土支撐ZL1－6軸力計算值與實測值對比曲線

圖7 基坑開挖完成時周圍地表沉降計算值與實測值對比曲線

綜合以上分析可知，FLAC數值計算得到的深基坑變形規律與現場實測得到的深基坑變形規律基本相吻合。FLAC數值計算能夠進行深基坑施工前的預演，可對原有的圍護結構設計方案進行評價和優化，從而確保施工過程中深基坑的安全穩定以及周圍鄰近建(構)筑物的安全使用。

4 結語

運用FLAC軟件對大差市地鐵車站深基坑開挖及支護的全過程進行了真實模擬，分析了西安黃土地區地鐵車站深基坑變形規律，并通過現場實測驗證，得出以下結論:

(1)樁身水平位移能夠直接反映圍護結構變形特性，內支撐對深基坑變形有明顯的抑制作用，防止基坑向坑內發生過大變形。圍護樁水平位移最大的地方發生在基坑中部到三分之二基坑深度處，基坑周邊地表沉降槽中心距坑壁8 m。

(2)各個開挖工況下樁身水平位移、內支撐軸力以及基坑周圍地表沉降變化規律的計算值和實測值變化趨勢基本一致，表明本文提出的監測方案合理有效。同時，說明FLAC數值模擬可在基坑施工前對圍護結構設計方案的合理性做出評價，并且為控制基坑變形和確定基坑穩定提供參考依據，具有指導意義。

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