地鐵車站明挖深基坑支護結構穩定性分析

郭 嘉

（廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510700）

1 工程概況

廣州地鐵7 號線大沙東站支護結構采用鉆孔灌注樁+鋼管支護，支護結構采用鉆孔灌注樁，模型φ1000mm@1500mm，埋深為基坑底部以下6m。三根立柱豎向安裝在基坑內。采用直徑609mm 的直型鋼支架，鋼壁厚度16mm。第一直支架的水平間距為6m，第二、第三直支架的水平間距為3m。直支撐段和對角支撐段均采用鋼檁條。

場地地層以人工第四紀填方為主，場地從上到下分為8 層，為平原填方、類黃土、硅質粘土、中砂、礫石、硅質粘土、中砂。上更新世沖積粉質粘土和砂土中無明顯的隔水現象。研究區地下水位-15.58～18.40m，第四系孔隙水。含水層主要為全新世沖積層和礫石沖積土層。研究無承壓地下水的深度。

2 有限元模型及計算工況

2.1 基本假設

在建模過程中，根據以下假設處理土層的支撐結構和特性：

（1）假設基坑開挖區域土體為均質各向同性彈塑性體，且土體的應力應變對應庫侖摩爾模型，鉆孔灌注樁、鋼直撐和鋼圍檁均達到理想彈性。樁孔樁對應于600mm 厚的理想地下彈性墻。

（2）均消除了土的位移場并保持了應力場，不必考慮混凝土樁的結構對土體應力和性質的影響。

（3）沒有考慮基坑開挖動態施工過程對土體力學性質的影響。

（4）基坑開挖前的降水效果滿足設計要求，與土壤中水分的滲入無關。

2.2 有限元模型

在本文中，地鐵車站基坑的有限元模型為20m 寬、18.2m 深、東西向膨脹兩端長14.6m、標準斷面225m。基坑的效果范圍為開挖深度的3～4 倍，模型的水平尺寸為180m×180m，垂直尺寸設置為60m。所選工作面滿足基坑手冊的要求[1]。結合場地地質垂直剖面，固定土層從上到下的厚度分別為1m、1.2m、7m、4.8m、1.2m、5m、10.2m、29.6m。采用一維梁單元模擬鋼支撐。總材料為C35 混凝土，坑墊材料為C20 混凝土。鋼模為Q235B，板件模擬鉆孔灌注樁等效壁厚，該模型由145532 個部分和453828 個元素組成。尺寸變形單元主要是六面體單元，見圖1。

圖1 有限元模型

2.3 模擬計算工況

根據“分區，分類，定性和定量”的原則對施工過程進行模擬，仿真計算分析了基坑施工過程對土壤應力和變形的影響[2]。

第一階段（CS1 條件）：初始地應力分析，檢查位移補償的平方為零，模擬土體固結過程。

第二階段（CS2 條件）：支樁施工。

第三階段（CS3 條件）：開挖至地表以下2.1m，第一條鋼支撐線在地表以下1.4m 處施工。

第4 階段（CS4 條件）：開挖至地表以下9.2m，并在地表以下8.4m 處建造第二根鋼支撐線。

第5 階段（CS5 條件）：在地下14.0m 開挖，第三條鋼支撐線在地下13.2m。直支座預應力為400kN，對角支座預應力為450kN。

第六階段（CS6 條件）：開挖至地平面以下18.2m 處，18.0m 處C20 混凝土層厚200mm。

3 計算結果分析

3.1 基坑水平位移

圖2 為不同操作條件下基坑的水平運動與基坑的深度之間的關系曲線圖。18.2m 深度的基坑最大水平位移為10.9mm，基坑東西向-16.7m 有最大水平位移為9.3mm。坑內土壤層深度為10～21.3m，圓形礫石層厚度，內聚力等于0，抗剪力與相鄰土體差值大，施加力時產生側向位移較大，這是造成這種現象的原因。圖3 為工況CS6 基坑水平位移云圖。

圖2 不同工況下基坑水平位移與基坑深度關系曲線

圖3 工況CS6 基坑水平位移云圖（單位：mm）

3.2 基坑豎向位移

（1）圖4 為基坑開挖過程中豎向位移曲線。由圖4 可知，在CS6 工況為47mm 時，基坑底部的豎向位移最大，最小豎向位移為-6.9mm（下沉），同時出現基底邊緣位移，為-10.2～11.8mm（下沉）。為避免礦井底部強局部變形造成的破壞。基礎坑底部的垂直位移變化較大，而基礎坑的垂直位移變化不大。為了避免礦山底部的強局部變形引起的損傷，有必要在礦山底部采取技術對策。

圖4 不同工況下基坑豎向位移曲線

（2）圖5 為CS6 運行條件下基坑周圍地面垂直位移的云圖。圖上可以看到，一旦開挖溝槽已經結束，豎直位移坑（沉降）隨著距離的增加而減小，基坑邊和改變地表沉降率為30m 的坑邊外地表沉降速率接近于0。更具體地講，當坑壁的距離是0～30m，地表沉降坑周圍顯示一個線性變化，從而減少8.2mm，達到了19.4-7.8mm。當坑墻是80m 的距離，基礎坑周圍表面的沉降值對應于30mm 的警告值。

圖5 工況CS6 時基坑周邊地表豎向位移云圖（單位：mm）

3.3 圍護樁水平位移

圖6 顯示了在CS6 條件下圍護樁水平運動的云圖，該圖顯示了圍護樁的最大水平位移為10.9mm，并且發生在深度18.2m 處，低于警告值24mm;當達到CS5 和CS6 條件時，圍護樁移動為0，并且坑周圍的土壤質量實際上已穩定。這表明，鋼支撐進一步防止土體和樁進入基坑，保證基坑的穩定，并實現了土體、支護結構和內直支護之間的力平衡。

圖6 工況CS6 圍護樁水平位移云圖（單位：mm）

3.4 支撐軸力

3.4.1 直撐和斜撐軸力

圖7 給出了不同工況下直撐軸力變化曲線，由圖7 可知：

圖7 不同工況下直撐軸力變化曲線

（1）在開挖CS3 的狀態下豎立第一直撐；當基坑挖到CS4 時第二直撐豎起，第一條直撐的軸向力減小。從CS4 到CS6，第一直撐的軸向力的變化曲線基本保持水平。

（2）在第三直撐建成后，第二直撐的變化規律與第一直撐的變化規律相似。盡管軸向力略有變化，但總體上趨于穩定。

（3）基坑土層為球形，內聚力為0，抗剪強度小，水平變形大。第三直撐的軸向力從400kN 增加到1885.3kN，增加了1485.3kN，其他兩個直撐的軸向力變化不大，這表明在狀態CS6 中，第三個右隔片在限制基坑的大水平位移方面起著重要作用。在不同的工作條件下，對角墊片的軸向力變化與右墊片的軸向力變化相似，在此不再多做敘述。

3.4.2 支撐軸力計算值與設計值比較

表1 為基坑開挖工況CS6 時各道支撐計算最大值與設計值的統計表。

表1 支撐軸力計算值與設計值對比表

由表1 可知：

（1）對于3 個直撐，第二階段計算的軸力大于設計軸的力，第三層計算的值大于設計軸的力。從上面可以明顯看出，在挖坑的過程中第二和第三支撐消除了保持結構的任何過度運動，并充分發揮了其作為直撐的作用。

（2）必須報告第三個直接支撐軸計算值的27.3%的軸力和超限，并應采取適當的技術措施，以通過增加直接支撐的密度來避免在基礎井施工期間發生安全和質量事故。

（3）斜夾鉗軸的計算值與功率計算值之間的比較表明，斜軸上的力沒有超過計算值。

4 結論與建議

（1）計算和分析表明，由于在地鐵站中建造基坑而導致的表面垂直溢出在-11.8～-10.2mm 之間，并且涂層電池車頂的最大水平位移為10.9mm，這與地鐵站中深基坑的建造而引起的地面溢出和保持結構變形的要求是一致的。

（2）在CS5 至CS6 條件下，第三右支撐的軸力增加了1485.3kN，因此，應對第三條直撐重點優化，增加密度，增加設計阻力，避免增加直撐。在基坑的建設過程中更為安全，防止變形和安全事故[3-4]。

（3）當在支撐裝置末端挖至下層土時，直接支撐的軸力顯著增加，在施工期間必須加強對直接支撐軸的力的控制，以確保支撐的安全性[5]。

（4）在基坑開挖階段，除第三個直撐外，支撐軸上的力明顯小于計算值，并且優化的余地很大。在設計階段，優化支撐結構的布局和密度，縮小支撐結構的尺寸，降低建設費用。

5 結束語

在對地鐵站進行深入研究和對結構進行有限元分析的基礎上，加深了對明挖深基坑支護結構穩定性的認識。結果表明，由于深基坑而引起的表面垂直變形為-11.8～-10.2mm，混凝土樁頂部的最大橫向變形為-10.9mm，符合西安地區的地表和井架變形特征；在基坑開挖階段，除第三直撐外，內支架軸線上的力明顯小于計算值，并且有很大的優化余地。內部支撐結構是安全且可通過的，可以用作類似建造的參考。