地鐵深基坑偏載對圍護結構受力的影響分析

文/曹成 廣州地鐵設計研究院有限公司 廣東廣州 510000

隨著我國地鐵建設的飛速發展，施工事故頻發成為人們重點關注的對象。在這些事故中，地鐵車站基坑事故發生頻率明顯偏高。鑒于此，本研究以地鐵車站偏載深基坑項目工程為例，對偏載深基坑圍護結構的受力和變形展開了深入研究與探討，希望對今后此類基坑的設計能提供有效借鑒。

1、工程概況

某地鐵車站東北側為高邊坡，經實測，車站范圍地面高程44.17～58.36m之間，高差約14.19m，西側略低，東側略高，最低處為東北側為向下的高邊坡，坡下標高為44.17m。在車站東北象限存在13m深的谷地，在谷地中有一棟4層磚混結構的老年公寓。該車站端頭井基坑距離谷地邊緣僅3.2m，谷地影響車站東北側60多米范圍，車站與谷地平面、剖面關系詳見圖1和圖2。

圖1 車站與東北側谷地平面關系圖

圖2 車站與東北側谷地剖面位置圖

2、偏載深基坑對圍護結構的受力影響

2.1 巖土層參數

根據本項目工程的詳細勘察報告，地鐵車站巖土層從上到下的分布主要是素填土、粉質黏土、全風化板巖、強風化板巖。

2.2 土體本構模型的選取

為準確研究谷地側車站基坑開挖支護方案，擬對車站基坑開挖施工進行三維數值計算分析，分析軟件采用有限元軟件。

由于土的性質的復雜性，至今提出的土的本構模型有多種，但每種本構模型都是反映土的某一類或幾類現象，因此每種本構模型都擁有其適用范圍和局限性。總體來說，土的本構模型可分為以下幾類：線彈性模型、非線性彈性模型、理想彈塑性模型、硬化類彈塑性模型。

用硬化類模型模擬出的坑后往往是沉降，不會出現坑后地表過大隆起，且能同時獲得較為滿意的圍護結構側向變形，硬化類模型適合于較準確的基坑工程分析。綜上，本次數值模擬土體本構模型采用修正摩爾庫倫模型，其模型參數取值如下表1。

2.3 模型的建立與參數選取

車站長226m，標準段寬21.3m，車站埋深17.5m。模型尺寸規模按車站外擴4.5H（H：基坑開挖深度）控制，即沿車站X、Y向各擴大了80m，深度方向（Z向）擴展了3H，故：模型規模為385m×181m×70m。

網格采用計算精度較高的“六面體+四面體”混合網格，網格在基坑范圍內進行了加密，尺寸為2m，外圍網格尺寸約為7m，整個模型共計52824個節點，78278個單元,166740個自由度。

土體采用實體單元模擬，混凝土支撐和鋼管支撐采用梁單元模擬，鉆孔灌注樁按照等剛度原則等效為地連墻采用板單元模擬，地連墻與土體之間的滑移采用界面單元模擬。模型底部設置為固定約束，四周設置為水平單向約束，上表面為自由邊界，在車站東北側按實際情況建立谷地，谷地表面自由邊界。施加重力荷載及地面超載。按照基坑實際開挖順序定義施工工況，通過鈍化和激活單元實現基坑開挖過程的模擬。模型如下圖3所示。

圖3 車站基坑及邊坡現狀計算模型

2.4 數值模擬結果與分析

2.4.1 工況1（不采取任何邊坡支護措施）

由于基坑邊距離谷地邊僅3.2m，該側土體無法提供基坑支撐傳過來的水平力，土體發生大變形，計算不收斂。

2.4.2 工況2（采取邊坡加強的措施）

邊坡做鋼筋混凝土擋墻支護，并在擋墻和原邊坡間高差區的填土，據此激活擋墻的結構作用，圍護結構的位移結果如下圖4～圖7。

圖4 車站圍護樁X向變形云圖

圖5 車站圍護樁Y向變形云圖

圖6 車站標準段圍護樁Y向變形

表1 修正摩爾庫倫模型模型參數值

表2 基坑圍護樁水平變形數據（車站基坑開挖到坑底）

圖7 車站靠近谷地側圍護樁Y向變形

基坑開挖后，圍護樁發生了水平變形，圍護樁測斜曲線隨著基坑開挖深度的增加曲率不斷加大。圖4～圖7所示的為基坑開挖到坑底的時刻，圍護樁的位移圖，在靠近坑底位置附近圍護樁的水平變形值達到最大。變形趨勢符合實測規律。

由于車站基坑東北側谷地的存在，基坑在此范圍呈現出偏壓基坑特征，圍護樁有跟隨土體向谷地方向位移的趨勢，變形上呈現出空間作用的現象，東南側圍護樁水平位移大，東北側圍護樁整體向北移動。具體圍護樁的水平位移數值匯總于下表2：

3、數值模擬計算結論

該站緊鄰13m深的谷地，考慮預先采用邊坡支護的方案，并針對此方案進行了三維有限元模擬分析，通過對圍護結構變形分析得出如下結論：

（1）基坑開挖后，產生卸荷作用，周邊土體有向坑內流入趨勢，土體產生變形，谷地側變形尤其明顯；

（2）圍護樁也收到谷地影響，圍護樁水平變形最大值出現在谷地位置，測斜最大值也高于其它地段；

綜上，當基坑處于此種偏載地勢時，必須提前采用邊坡支護措施，以消除偏載的不利影響，否則基坑處于不安全狀態；且即便采用支護措施后，偏載處的受力仍是薄弱環節，設計和施工尤其應引起足夠重視。

4、結論及建議

根據地形，當基坑兩側形成非對稱偏壓基坑時，則其受力與通常的基坑有所不同，無法按照平面應變問題進行二維分析。在實際的項目設計過程中，應針對工程的特點，重點研究非對稱荷載的偏壓基坑圍護結構，并且進行三維分析，最終確定車站基坑的支護方案，確?；影踩?。

曹成(1985.1) 男 江西九江人 本科 工程師軌道交通結構設計

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