鄰近地鐵基坑支護結構穩定性分析及數值模擬

劉 恒

（中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074）

《國務院辦公廳關于進一步加強城市軌道交通規劃建設管理的意見》（國辦發〔2018〕52號）印發以來，我國城市軌道交通總體保持有序發展，對提升城市公共交通供給質量和效率、緩解城市交通擁堵、引導優化城市空間結構布局、改善城市環境起到了重要作用。位于城市中心繁華區域，靠近建（構）筑物及地下管線等基礎設施的建筑也隨之迅速發展[1-2]，如地下停車場、地下車庫、地鐵車站、地下通道、地下商場、地下人防工程、綜合管廊、地下綜合體等。在該類工程基坑開挖的過程中，通常面臨周邊場地狹窄、管線密布、建筑物林立的情況，故基坑建設不僅要滿足自身穩定性要求，還要保障鄰近地鐵結構的安全，這使得基坑支護結構設計方案成為重中之重。國內外學者依托工程實際，利用數值模擬法做了大量的相關研究。李家平等[3]采用FLAC3D軟件，總結了基坑開挖區間隧道隆起的變形規律；郭曉歡等[4]利用ANSYS軟件，研究了“手槍型”不規則基坑開挖對地鐵車站結構及軌道變形的影響規律；馮曉臘等[5]采用PLAXIS軟件，分析了復雜條件下，基坑支護體系及周邊環境受力、變形等情況。

文章通過理正深基坑軟件計算和Midas/GTS軟件數值模擬，對基坑的設計和施工進行穩定性評價，可為后續工程的設計與施工提供指導。

1 工程實例

1.1 工程特點及周邊環境

嘉里南昌綜合發展項目（二期）地下室基坑開挖面積約4463m2，基坑周長約275m，基坑開挖深度為13.05m?；訓|側為香格里拉大酒店，距離基坑約11.4m；南側為雅頌居，距離基坑約4.8m；西側為翠林路，寬10.2m，距離基坑約9.6m；北側為世貿路，鄰近地鐵1號線，基坑與地鐵車站出入口最近的距離約8.1m。基坑安全等級為一級。具體位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質及水文條件

該工程場區地層由人工填土（Qml）、第四系全新統沖積層（Q4al）及下部第三系新余群（Exn）基巖組成，按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分結果如表1所示。地下水來源主要為上層滯水和地下水，地下水處理采用坑內疏干降水和坑外應急降水兩種措施?；又ёo結構進入中風化巖層，降水對周邊環境的影響較小，可忽略基坑地下水處理對地鐵結構的影響。

圖1 工程周邊環境

表1 土層計算參數表

2 支護方案及驗算

2.1 基坑支護形式

針對該基坑的特點，結合基坑周邊環境、現有施工條件和施工工期等因素，采用“TRD工法樁＋一道混凝土支撐＋兩道預應力型鋼支撐”支護結構?；颖眰揉徑罔F，支護結構頂采用200mm厚C20鋼筋混凝土擋墻作為擋土結構，基坑支護結構采用850TRD渠式切割水泥土連續墻內插H700mm×300mm×13mm×24mm型鋼，入③-2中風化巖層1.0m。樁頂冠梁寬度為1.2m，高度為0.8m，混凝土強度等級為C30?；颖眰龋ǖ罔F側）不允許堆載，型鋼間距為0.6m?；訓|側、南側及西側型鋼間距為0.8m，基坑周圍坡頂0～2m內不得堆載，2～10m范圍內地面荷載不允許超過20kPa。

2.2 基坑支護設計難點

此次基坑設計存在以下四個難點：

（1）工程地質及水文條件復雜。場地范圍內下部主要是砂層，雖然內摩擦角較大，但黏聚力低，在水的作用下易失穩，產生滲透變形，對基坑安全極為不利。

（2）地下水補給豐富。場地內地下水主要受贛江水體控制。贛江地表水體的補給條件好，在汛期，贛江水位上漲，地表水體也可補充地下水。地下水主要為第四系松散層孔隙水，賦存于砂層中，滲透性比較好，補給快。

（3）工期較長。由于項目占地面積較大，整個項目基坑開挖至坑底后，以及后期樁基檢測等，使得基坑暴露較長，對基坑安全性的控制也極為不利。

（4）基坑北側有地鐵通過?；颖眰葹榈罔F1號線車站，地鐵出入口與基坑凈距離為8.1～10.4m，地鐵隧道外邊線距離基坑邊緣約15.4m。關于支護結構的強度計算、穩定性計算和變形控制以及地鐵隧道結構產生的變形要求較嚴格，如何在深基坑開挖過程中確保地鐵結構安全且正常運行是一個重難點。

2.3 理正計算結果

采用理正計算軟件對支護結構進行驗算，地質資料參考場地勘察報告中的資料。該基坑支護結構安全等級為一級，支護結構重要性系數γ0為1.1?；悠马數孛娉d設計采用20kPa，為局部均布荷載，基坑北側1-1剖面無堆載，2-2剖面堆載范圍為2～10m。參照地勘報告，結合該場地周邊工程，基坑外側地下水位深度取zw=5.0m、內側地下水深度取13.05m。土壓力計算時對于雜填土、砂層等透水性土層按水土分算法計算。內力計算方法采用增量法。

基坑地鐵側剖面結果顯示，支護結構最大水平位移為20.26mm，支護樁彎矩在-450.79～193.52kN·m，剪力分布在-178.97～278.38kN；基坑最大水平位移發生在大約基坑深11.0m處，大致位于基坑1/2深度處。在進行基坑內支撐拆除施工時，支護結構水平位移略有減小，總體趨勢較穩定。

非地鐵側剖面結果顯示，支護結構最大水平位移為24.10mm，支護樁彎矩在-574.42～274.10kN·m，剪力分布在-261.49～378.08kN；基坑最大水平位移發生在大約基坑深11.5m處，大致位于基坑1/2深度處。非地鐵側與地鐵側剖面支護結構水平位移變形相似，具體相同的變化趨勢。

按拋物線法，地鐵側與非地鐵側地表沉降最大沉降量為28mm和33mm，產生最大沉降的部位距離坑邊約7m。根據相關規范進行驗算，計算結果如表2所示。從表2可以看出，整體穩定性系數、抗傾覆、抗隆起系數均大于規范值，型鋼截面抗彎抗剪承載力均未超過規范值，基坑支護方案滿足安全性要求。

表2 剖面支護結構驗算結果

3 數值模擬

3.1 模型建立

土體采用修正莫爾-庫倫本構模型，墻、支撐等其他結構體采用彈性模型，單元類型為四面體單元。模型中的介質均為連續介質，土體采用實體單元，墻采用板單元，支撐采用梁單元。將渠式切割水泥土連續墻根據等效剛度法等效為鋼筋混凝土板結構。不考慮支護結構開挖和降水對土體性質的影響，不考慮滲流和固結的影響。計算模型共117223個單元，66169個節點，采用自由邊界，模型長270m、寬200m，建模深度取40m，約2.5H（H為基坑深度）?；幽Ｐ图爸苓吔Y構關系如圖2所示。

圖2 基坑三維模型

3.2 開挖工序

計算模型主要分為以下11個工況：

（1）初始地基應力階段。激活模型內的所有土層，包括擬開挖的基坑土層、地鐵車站、隧道；激活模型五個面上的邊界條件；激活自重荷載。該階段主要模擬土體的自重固結作用。該階段勾選初始位移清零。

（2）地鐵結構完成階段。鈍化地鐵車站、隧道，激活隧道襯砌、車站結構。

（3）位移清零階段。主要消除地鐵及隧道施工對基坑的影響。

（4）施工支護結構階段。激活地下連續墻、基坑立柱樁及基坑堆載。

（5）第一次開挖至2.1m，鈍化土層。

（6）在1.6m處設置第一道支撐，激活冠梁、內支撐。

（7）第二次開挖至7.8m，鈍化土層。

（8）在7.3m處設置第二道支撐，激活腰梁、內支撐，對型鋼施加預應力。

（9）開挖坑底。鈍化土層。

（10）施工底板及地下二層樓板，拆除第二道支撐。

（11）施工頂板，拆除第一道支撐。

4 計算結果及分析

4.1 基坑周邊地表沉降

計算結果東西向位移結果以向東為正，南北向位移結果以向北為正。經過計算分析將基坑地表沉降結果進行匯總，如表3所示?；訓|西南北向的地表最大沉降量小于35mm，小于現行基坑支護規程對地表沉降的控制。

選取地鐵側（北側）和遠離地鐵側（側）最大地表沉降處的截面，提取截面上的節點位移數據作圖分析：地表沉降最大的位置距地鐵側約7m，距非地鐵側約11m，整體沉降曲線呈現先增大后減小的勺形。這是因為一開始土體開挖是直接鈍化的，支護結構會產生向基坑內部的水平位移。隨著開挖深度加深，支護結構后方的樁土摩擦力使得坑邊沉降小于較遠處的土體。在工況4時，地鐵側坑外地表沉降很小，而非地鐵側沉降較為明顯。由于受到堆載的影響，坑外地表產生附加沉降，使得整體沉降曲線有向坑外側移動的趨勢，導致沉降曲線由勺形變為兩頭小中間大的凹勺形。距離坑邊越遠沉降越小，說明土體開挖的影響范圍是有空間限值的。

表3 基坑地表沉降計算結果匯總表

4.2 基坑支護結構水平位移

選擇地鐵側（北側）和遠離地鐵側（南側）的支護結構最大水平位移模擬結果來分析隨土體開挖的水平變形規律?；訓|西南北向的支護結構水平位移小于30mm，小于現行基坑支護規程對位移的控制。提取最大位移斷面數據，數據匯總如表4所示。

表4 基坑支護結構水平位移匯總表 （單位：mm）

選取地鐵側（北側）和遠離地鐵側（側）最大支護結構水平位移處的截面，提取截面上的節點位移數據分析：在工況4時，地鐵側支護結構水平方向有輕微的向坑外側的位移，非地鐵側產生向坑內側的位移。這是因為基坑的其他側有堆載，應力擴散迫使支護結構產生向坑內位移。支護結構的剛度較大，在三面向內的外力作用下，非地鐵側產生向坑外側的位移。在工況6時，由于開挖的深度較小，整體水平位移較小，可以看出支護結構變形隨著深度增加在減小。在工況8時，整體變形曲線隨著深度增加，呈現先增大再減小的凸形趨勢，這是因為圍護結構下部嵌固深度較大，上部受冠梁和第一道支撐的作用。隨著基坑開挖至坑底，此時整體變形曲線同前階段類似，都是由上到下先增加再減小的類似拋物線形，但豎向位移增大的幅度呈現出逐漸增大的趨勢。

5 結語

文章以嘉里南昌綜合發展項目（二期）為背景，以研究其TRD工法樁式結構的可行性為主要研究目的，結合項目周邊環境、工程地質與水位地質條件、地鐵結構保護要求，分析了項目基坑支護設計的重難點，對基坑支護結構進行了理論計算及三維有限元模擬分析，研究了深基坑周邊地表、支護結構及鄰近地鐵結構的變形規律，為工程設計施工提供參考。

對于基坑鄰近地鐵車站工程，由于周邊環境條件復雜，加之工程地質、水文條件具有區域性，很難針對所有工程進行規律總結。地鐵運行過程中的動載是一個復雜的多自由度振動體系，大小隨時間變化而變化。下一步可研究地鐵運營期間產生的列車動荷載與基坑工程之間的相互影響。