沿江地鐵車站基坑支護結構的設計與實測研究

寧茂權,肖明清,賀湘靈,呂春波,關振長

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430064； 2.海峽(福建)交通工程設計有限公司,福州 350004； 3.福州大學土木工程學院,福州 350116)

引言

在城市環境中開挖地鐵車站基坑，通常緊鄰建筑物及地下管線，周邊環境極其復雜，未知因素較多，由此引發工程事故的案例已屢見不鮮[1-3]。尤其是受地形或地層不對稱的影響，基坑兩側容易形成偏壓，對基坑圍護結構的受力性狀與變形模式產生更加不利的影響[4]。許多學者采用理論分析、數值模擬、現場實測等手段，對偏壓條件下基坑圍護結構的施工力學特性展開系列研究。

理論研究方面，史吏等[5]采用多種理論方法計算偏壓工況下軟土地區基坑抗隆起安全系數，發現Terzaghi法高估了偏壓基坑的抗隆起穩定性，而Bjerrum法和規范法則偏保守。袁宗浩等[6]提出了一種考慮偏壓作用的基坑抗隆起穩定性極限上限分析方法，在公式推導中考慮了土體各向異性、偏壓荷載范圍和坑邊距等因素的影響。龐小朝等[7]針對偏壓基坑，結合工程實例，提出一種偏壓基坑多點支撐支護結構的實用設計計算方法。

數值模擬研究方面，林剛等[8]和XU[9]基于PLAXIS數值平臺和土體HS本構模型，在基坑兩側施加不同超載，得到圍護墻彎矩隨基坑兩側偏壓狀況的變化規律。張杰等[10]利用MIDAS有限元軟件，對臨河基坑分步開挖進行數值模擬，發現基坑兩側水平位移差值隨基坑臨河距離呈指數變化關系。劉繼強等[11]在FLAC平臺上建立了二維數值模型，研究偏壓荷載作用位置與圍護樁變形量之間的關系，并提出兩者之間的近似關系式。孫武斌[12]在FLAC3D平臺上建立三維數值模型，探討了基坑與建筑物距離、建筑物荷載及基坑開挖深度對基坑圍護結構兩側最大側移之比的影響。雷崇[13]運用PLAXIS有限元軟件模擬臨河大偏壓深基坑開挖全過程，發現基坑支護結構位移、內力與普通基坑存在較大差異，并提出加固措施。方浩[14]利用MIDAS有限元軟件對某臨近鐵路路基偏壓基坑進行開挖模擬擬合，推導出路基最大水平位移和最大沉降的簡化計算公式。劉守花等[15]采用數值軟件分析了半蓋挖法偏壓基坑中立柱受力與變形特征，其向地形較低側發生水平變形，且沿豎向呈鼓肚形變形模式，承受彎矩和壓力的共同作用。GUO[16]使用有限差分方法分析了非對稱堆載基坑圍護墻受力特性，發現超載效應引起主應力方向旋轉，墻體位移在最終開挖底部稍高的位置達到最大值。

現場實測研究方面，姚愛軍等[17]通過對某車站基坑實測數據分析，發現偏壓基坑兩側出現不對稱沉降，支撐受力由軸心受壓變為偏心受壓，其預緊力損失嚴重。劉波等[18]通過現場監測資料分析，發現基坑偏壓側的各項變形值均大于另一側，基坑長邊中部是其最薄弱區域。石鈺鋒等[19]通過對緊鄰鐵路基坑的實測分析，探討了偏壓基坑圍護結構位移和內力特征，對圍護結構穩定性作出評價。汪東林[20]對鄰近高速公路偏壓基坑圍護結構監測數據進行分析，路基偏壓對圍護樁頂的豎向位移影響不大，偏壓側圍護樁最大水平位移約為非偏壓側的3倍。

在FLAC3D數值平臺上，對福州市地鐵5號線農林大學站基坑開挖全過程進行數值模擬，并結合現場監測數據的對比分析，對依山沿江不對稱地形條件下地鐵車站偏壓基坑圍護結構的力學特性開展深入研究，以期為類似偏壓基坑的設計與施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

福州市地鐵5號線全長約27.3 km，共設20座車站，19個區間，全線采用地下線方式敷設，是福州市軌道交通線網中心環的組成線路之一。農林大學站位于倉山區上下店路道路下方，呈南北走向；車站基坑全長170 m，標準段寬24.1 m，端頭井寬28 m，現狀場地高程11.5～12.50 m。車站周邊較復雜，建筑物密集分布；車站西北側為成片民房，車站西側、西南側為福建農林大學及福建工業學校，車站東側緊鄰閩江，閩江河堤岸距基坑11～25 m。

1.1 工程地質條件

車站場地屬剝蝕殘丘地貌單元與海陸交互相沖淤積平原地貌單元，上覆第四紀地層，從上到下分別為粉質黏土、淤泥質土、殘積砂質黏性土及全風化花崗巖。各類土層的主要物理及力學指標詳見表1，其中，土層的黏聚力及內摩擦角通過固結快剪獲得，全風化花崗巖層則為經驗估計值[21]。基坑底板位于殘積砂質黏性土層中，連續墻端部位于全風化花崗巖中。

表1 各巖土層主要物理力學參數

淺部孔隙性潛水主要賦存于上部填土層及粉質黏土層中，補給來源為大氣降水及地表水，實測初見穩定水位埋深1.90～3.10 m。深部承壓水含水層主要分布于深部花崗巖和碎塊狀強風化帶中，承壓水對工程影響較小。

1.2 支護與開挖方案

車站采用半蓋挖法施工，基坑端頭井深25.2 m，標準段深23.4 m，最大寬度26.0 m。圍護結構采用厚1 000 mm的地下連續墻+5道內支撐體系，其中，第1、第3道為截面800 m×1 000 mm混凝土支撐，其余均采用φ609 mm鋼管支撐。圍護結構設計如圖1所示。

圖1 標準段基坑支護剖面(尺寸單位： mm；高程單位：m)

基坑開挖與支護過程分11種工況：(1)施作地下連續墻；(2)施作第1道支撐；(3)基坑開挖至-7.9 m；(4)施作第2道支撐；(5)基坑開挖至-14 m；(6)施作第3道支撐；(7)基坑開挖至-17.4 m；(8)施作第4道支撐；(9)基坑開挖至-20.4 m；(10)施作第5道支撐；(11)基坑開挖至-23.4 m。

2 數值模擬

針對上述設計方案，運用數值仿真手段，分析依山沿江不對稱地形條件下，基坑支護結構的受力狀態及其對周邊地層的變形影響。

選取車站標準段中部里程DK15+912斷面為研究對象。利用FLAC3D軟件對該斷面附近里程DK15+906～DK15+918內開挖與支護全過程進行模擬。數值模型整體尺寸為222 m×12 m×123.4 m(長×寬×高)，局部模型如圖2所示。模型頂面取自由邊界，在沿江一側模型上表面施加等效均布力以代替江水壓力。模型側面為法向約束邊界，底面為全約束邊界。模擬基坑開挖與支護全過程工況與前述設計方案保持一致。

圖2 基坑數值模型局部示意

巖土體采用8節點6面體單元模擬，共計1 478 589個單元。土體(包括粉質黏土、淤泥質土、殘積砂質黏性土)采用修正劍橋彈塑性本構模型；巖體(全風化花崗巖)采用摩爾-庫倫本構模型。根據地勘報告和巖土工程手冊，巖土體的主要物理性能參數如表2所示。

表2 巖土體主要物理性能參數

基坑圍護墻采用shell單元模擬，混凝土支撐與鋼支撐采用beam單元，冠梁與鋼圍檁則簡化為局部加厚的shell單元。上述3種結構單元均采用線彈性本構，其主要物性參數如表3所示。

表3 結構單元物理性能參數

3 施工力學特性分析

3.1 圍護墻水平位移

車站中部里程DK15+912斷面兩側圍護墻深層水平位移的變形曲線如圖3所示，規定向閩江側發生水平位移為正向，以確保基坑兩側圍護墻變形曲線的坐標方向一致。

圖3 圍護墻水平位移分布曲線

隨著基坑開挖，圍護墻水平位移逐漸增大，挖至坑底后，變形基本趨于穩定。兩側圍護墻變形曲線沿深度均呈中間大、兩端小的弓形分布，最大水平位移(及發生位置)隨開挖步不斷增大(及加深)。靠山側圍護墻開挖至坑底時最大位移達到59 mm(發生在15 m深度處)，而對應沿江側最大水平位移值為34 mm(發生在16 m深度處)。

基坑兩側水平位移出現明顯非對稱性，沿江側明顯小于靠山側(約為后者的57%)。尤其需要說明的是，受兩側不對稱地形的影響，沿江側圍護墻淺部變形模式與常規基坑不一致，其并未發生朝向坑內部的水平位移，相反發生了朝向坑外(閩江側)的輕微水平位移，隨開挖深度的增大而增大，這使得圍護墻整體變形趨于更加不利的狀態，對地鐵車站基坑施工及后續車站運營都構成了潛在威脅。

進一步將兩側深層水平位移相加，得到基坑圍護墻的整體偏移曲線，如圖4所示。圍護墻整體向閩江側發生偏移，隨著開挖深度的增加，整體偏移量不斷增大，當開挖至坑底時，其最大偏移量達到27 mm(發生在12 m深度處)。上述整體偏移變形結果表明，基坑圍護結構存在向閩江側發生傾覆的趨勢。

圖4 圍護墻整體偏移分布曲線

農林大學站基坑于2018年3月初進行圍護墻施工，至2019年5月下旬開挖至坑底并完成墊層澆筑，歷時14個月。配合現場施工進度，對其圍護墻水平位移進行全程跟蹤監測。開挖至坑底時，圍護墻水平位移及其整體偏移的實測值見圖3、圖4。

現場監測結果與數值模擬結果的整體規律基本一致。單論圍護墻水平位移絕對值，實測值略小于10%～15%；若論圍護墻整體偏移，其淺部墻體實測值略大4～8 mm，其深部墻體實測值略小3～4 mm，即圍護墻整體傾覆的趨勢更加明顯。究其原因，可能是因為施工車輛及堆載等因素對基坑整體偏移及傾覆結果產生了更加不利影響。因此，在依山沿江不對稱地形中開挖基坑時，需充分考慮這些因素，保證基坑安全穩定。

3.2 支撐軸力

由數值模擬所得5道支撐軸力隨開挖工況變化曲線如圖5(左側)所示。施作第3道混凝土支撐后，在工況9時其軸力達到最大值7 453 kN，遠大于其他4道支撐，在整個支撐體系中發揮了主導作用。配合現場施工進度，課題組也對5道支撐軸力進行全程跟蹤監測，圖5(右側)所示支撐軸力實測值也反映了類似的規律。

圖5 支撐軸力隨開挖工況發展曲線

相應地，從圍護墻整體偏移(圖4)可以看出，施作第三道混凝土支撐后，該支撐以下圍護墻的整體偏移得到明顯抑制，說明混凝土支撐增強了支護結構的整體性，尤其在依山沿江不對稱地層條件下，是十分必要的。

3.3 圍護墻背后土壓力

圍護墻背土壓力(主動土壓力)隨開挖過程變化曲線如圖6所示。在深度0～8 m內，基坑兩側土壓力基本相等；但在基坑中下部(10～23 m內)，沿江側土壓力為70～100 kg，靠山側土壓力為80～160 kg，整體比沿江側偏大30%～50%，表現出明顯的偏壓效應。另一方面，圍護墻背土壓力均隨土體開挖而略有減小，尤其在坑底以下部分，受到圍護墻整體向沿江側偏移的影響，靠山側圍護墻土壓力顯著減小。

圖6 圍護墻背土壓力分布

4 鋼支撐與混凝土支撐對比

為進一步探討第3道混凝土支撐在支護結構體系中的關鍵作用，在原數值模型基礎上，將第3道混凝土支撐替換為鋼支撐(其他條件均不變)；重點關注支撐軸力隨開挖工況的發展規律(圖7)和圍護墻整體偏移的分布規律(圖8)。

圖7 支撐軸力發展曲線(混凝土支撐與鋼支撐對比)

圖8 圍護墻整體偏移分布曲線(混凝土支撐與鋼支撐對比)

第3道支撐采用鋼支撐時，其最大軸力僅為4 808 kN(與第2道鋼支撐相當)，遠小于采用原方案的軸力7 453 kN。相應地，坑底以上圍護墻的整體偏移量比原方案增大15%～20%，即圍護墻整體傾覆角度也隨之增大，對基坑的安全穩定構成了威脅。上述結果佐證了第3道支撐選用大剛度混凝土支撐的合理性，即混凝土支撐能有效增強支護結構的整體性，尤其在依山沿江不對稱地層條件下是十分必要的。

5 結論與建議

以福州市地鐵5號線農林大學站為工程背景，對依山沿江地鐵車站不對稱地形條件下的深基坑開挖及支護全過程開展了細致的數值模擬分析。并結合現場監測實測數據，探討了基坑圍護結構的整體偏移規律及基坑兩側圍護墻背后土壓力分布規律，得到以下結論。

(1)計算結果表明，不對稱地形條件使得基坑兩側圍護墻體產生了明顯的不對稱變形，圍護墻整體發生了向江一側偏移，其最大偏移量可達27 mm。相應地，基坑中下部靠山側圍護墻背土壓力整體比沿江側偏大30%～50%。

(2)實測結果表明，圍護墻整體變形趨勢與計算結果保持一致，均沿基坑深度方向呈兩端小、中部大的弓形分布，其圍護墻的整體偏移量也與計算結果大致吻合。

(3)若將第3道支撐改為常規鋼支撐，圍護墻整體偏移量和傾覆角度明顯增大，可見混凝土支撐能有效增強支護結構的整體性，尤其在依山沿江不對稱條件下是十分必要的。