寒區土巖復合地層地鐵車站基坑支護結構變形及優化研究

晁春波，祝清陽

（1.中鐵隆工程集團有限公司，成都610000；2.新疆大學建筑工程學院，烏魯木齊830047）

1 引言

目前，數值模擬是基坑支護優化研究的常用方法，通過調整數值模型參數來確認優化效果[1-8]。孫海霞等[9]利用ABAQUS和正交方法確定了樁徑、樁間距和樁長對支護樁穩定性最大的因素。李明偉[10]利用ANSYS 改進了原本基坑設計中常用的“靜態設計方法”。劉興華[11]以位于通遼的萬達廣場基坑工程為實例，建立依托于數學模糊原理的綜合評價模型，選出合適的支護方案。呂彥菲[12]利用FLAC 3D 對排樁的設計進行了優化，減少了基坑開挖對土體產生的影響。周愛其等[13]基于滿應力設計基本思想，建立了優化基坑內部支護樁-內支部位的數學模型。Bolton[14]等利用模型實驗，對土與圍護結構之間的相互作用機理進行了研究。Laefer[15]利用模型實驗研究了懸臂式支護結構中的柔性和剛性支擋結構對于坑外土體沉降、建筑物位移影響的區別。

烏魯木齊具有典型的寒區環境，同時存有大量土巖復合地層，隨著城市發展的不斷推進，自治區首府將陸續出現大量地鐵基坑開挖工程。為此，本文選取存在寒區土巖復合地層的烏魯木齊地鐵1 號線二道橋車站作為實例，建立寒區土巖復合地層下的基坑開挖有限元模型，對寒區土巖復合地層下的地鐵車站基坑開挖支護優化進行研究。

2 工程概況

二道橋車站位于烏魯木齊天山區繁華地帶勝利路路中，附近建有大量高低層建筑物。土層被簡化為厚度均勻的兩層，分別為砂卵石和泥巖。砂卵石層大約為15 m 厚，以下土層均為泥巖。

3 有限元模型建立

二道橋車站有限元模型如圖1所示，由5 069 個單元以及4 726 個節點組成。開挖深度為19.2 m，開挖寬度為21.6 m。為滿足精度要求，模型寬度取140 m，高度取60 m。土層建模采用修正摩爾庫倫模型，支護結構則采用彈性本構。

圖1 二道橋車站有限元模型

4 基坑支護方案優化及分析

4.1 鋼支撐位置影響

目前，基坑多采用簡單的均勻間距的排列方式，缺乏鋼支撐位置對支撐軸力影響的研究。

1）調整第一根鋼支撐位置：原有模型前兩道鋼支撐間距為6 m，保持第二道和第三道鋼支撐位置不變，將第一道鋼支撐分別向下移動1 m、2 m、3 m 和4 m。5 種工況下，開挖完全后的3 道支撐所受的軸力對比如圖2所示。

從圖2 中可以看出，第一道鋼支撐附近的土體產生了較大的向基坑內的變形，因此，使第二道鋼支撐附近的土體產生了向坑外的變形，使鋼支撐受到174 kN 的軸向拉力。

圖2 各工況下3 道鋼支撐軸力對比圖（調整第一道鋼支撐）

2）調整第二道鋼支撐位置：將第二道鋼支撐向上移動1 m和2 m、向下移動1 m 和2 m。各個工況下鋼支撐所受的軸力對比如圖3所示。

由圖3 可以看出，第一道鋼支撐所受軸力的改善效果不明顯；工況四對于改善鋼支撐所受軸力的效果較好，最大軸力降低了19.3%。

圖3 各工況下3 道鋼支撐軸力對比圖（調整第二道鋼支撐）

3）調整第三道鋼支撐位置：將第三道鋼支撐的位置分別向上移動1 m 和2 m、向下移動1 m 和2 m，各個工況下3 道支撐所受軸力的對比如圖4所示。

圖4 各工況下3 道鋼支撐軸力對比圖（調整第三道鋼支撐）

由圖4 可以看出，第一道鋼支撐軸力在各個工況下變化都不大。調整第三道鋼支撐位置后，工況二的改善效果最好，最大軸力降低了13.4%，但仍不及移動第二道鋼支撐對最大軸力產生的19.3%的降低效果。

4.2 支撐材料組合方式對基坑變形的影響

嘗試將鋼支撐替換為混凝土支撐，研究不同材料組合下的基坑變形的變化。只用混凝土支撐代替3 道鋼支撐中的一道。替換后的地表最大沉降及圍護結構最大水平位移變化如圖5所示。

圖5 各工況下基坑周圍地表最大沉降對比圖

根據圖5 將第二道鋼支撐替換為混凝土支撐的優化效果最好。替換第二道、替換第一道和替換第三道分別使最大沉降值降低了44%、24%和11%。

可以看出，替換第三道和第二道的效果對改善圍護結構水平位移的效果差別不大，但是替換第二道對比第一道和第三道在改善基坑周圍土體沉降上有著相當明顯的優勢。建議只將第二道鋼支撐替換為混凝土支撐。

5 結論

本文依托烏魯木齊市二道橋地鐵車站，建立了地鐵車站基坑開挖的有限元模型，對寒區土巖復合地層地鐵車站基坑開挖支護優化進行了研究，得出的結論如下：

1）使用MIDAS-GTS 可以有效地再現地鐵車站基坑開挖過程。開挖常見現象，例如，地表土體沉降、地連墻位移和坑底隆起都可以很好地捕捉到。

2）基坑周圍土體變形類似于正態分布的形狀，基坑圍護結構水平位移最終表現為拋物線式，最大水平位移出現在地連墻中間處。

3）調整鋼支撐安裝位置對軸力的優化效果：將中部鋼支撐位置向下移動基坑深度的10.4%，最大支撐軸力降幅達19.3%，是最優的調整方案，且沒有犧牲安全性。是合理的優化方案。

4）不同支撐材料組合下的基坑變形優化效果：只替換中部鋼支撐對改善基坑周圍土體沉降最優，沉降最大值降低了44%。在實際工程中為了方便施工建議只替換中部鋼支撐為混凝土支撐。