南昌地鐵超深基坑開挖變形及支撐結構選型分析

王運周，王夢佳

1.中鐵隧道集團三處有限公司，廣東深圳，518052；2.南昌大學 工程建設學院，江西南昌，330031

0 引言

由于基坑工程固有的特性以及人們認識上存在的偏差，使得基坑事故居高不下。特別是對超深基坑，在施工前對基坑支護結構受力及變形進行預測，對基坑施工安全至關重要。在基坑支護結構受力及變形進行預測方面有很多學者進行了研究。任建喜等[1]研究深基坑的圍護結構后發現樁頂水平位移受到基坑深度和暴露時間的影響，基坑開挖深度越大、暴露時間越長，樁頂水平位移越大；平揚等[2]綜合考慮圈梁和排樁對基坑支護結構產生的影響，使得樁身位移數據模擬結構更符合實際情況；楊光華等[3]利用經典朗肯理論，通過使用增量法分析支撐軸力和支撐剛度、土體條件、基坑開挖順序等的關系；曲力群等[4]使用尼龍棒和扁鋼模擬支護樁和樁頂圈梁，通過改變圈梁尺寸研究圈梁與樁的協同作用，指出圈梁和樁的剛度比為2～3時對于基坑的維穩效果最佳；崔允亮[5]利用有限元軟件ADINA模擬基坑開挖過程中的支護結構，通過改變排樁的相關數據研究排樁變形的影響因素，最終得出，在一定范圍內排樁的樁長和樁徑對排樁的剛度影響較大；葉萬靈[6]通過實際施工數據和理論計算得出，圍護和支撐結構具有隨時間變化的時空效應，引起這種效應的部分原因為混凝土的徐變和收縮，因此使用早強劑和分批開挖、分批澆筑的方法能夠減小支撐的變形程度；李云安等[7]運用SDCDEFEM有限元數值模擬系統，模擬基坑開挖過程相關數據，得出基坑變形與施加于錨桿的預應力或內支撐的道數關系較大；張顯飛[8]針對深圳某深基坑，運用巖土工程數值分析軟件FLAC，研究內支撐和支護樁對基坑變形的影響規律；溫兆東[9]同樣使用FLAC有限元軟件結合成都某地鐵實際施工數據，計算得到樁頂水平位移和樁體自身受力之間的關系；翟永亮[10]使用彈性地基梁m法結合鄭州某地鐵車站實際施工，計算基坑支護結構的內力和變形，總結支護結構水平位移和支撐軸力之間的關系；劉建威[11]運用理正深基坑軟件和MIDAS軟件模擬鄭州某基坑工程，并與實際施工數據進行對比，分析不同支撐形式的內部軸力和對基坑變形產生的影響；范炳杰[12]以上海某地鐵車站的基坑工程為例，運用有限元法，通過修改支護體系相關參數，優化支護結構，改進支撐接頭；張中龍[13]通過分析深基坑支護特征和水理特性在設計計算、空間效應、土體取樣及參數選擇等方面提出相關注意和方法，進而提升深基坑支護設計水平；鄭剛[14]通過群控效應離心機試驗研究深基坑中樁的變形對周邊建筑物和地表沉降的影響，并以此優化基坑施工的控制；Yu Long Cheng[15]將地鐵車站深基坑工程分為4個工況，通過FLAC3D模擬基坑變形情況以及不同支撐體系的支撐效果，分析支撐結構變形、軸向力、沉降規律等，為深基坑的設計和施工方案提出建議；李煜峰等[16]以上海某軟土地區深基坑項目為例，設計施工方案、支護體系、鋼支撐軸力補償系統等，計算地下連續墻的側向位移以及支撐體系下基坑的沉降，為軟土地區深基坑的設計和施工提供參考。

雖然已有諸多學者結合不同計算方法和不同實際工程對基坑開挖過程中的變形和支護結構進行分析和計算，但不同地區所存在的地層、水位以及地上建筑等因素的差異使得基坑施工和支護結構的設計需因地制宜。以南昌地鐵四號線壇子口站超深基坑為例，采用三維有限元軟件模擬基坑施工過程支護結構應力變形規律，分析不同內支撐布置對支護結構應力變形影響，提出適合該地區的基坑支護結構設計方案。

1 工程概況

南昌地鐵四號線壇子口站位于規劃道路江電路正下方，井岡山大道西側，車站呈東西走向。本站為地下四層島式站臺車站，有效站臺中心里程為SK24+550.145，車站起點里程為SK24+350.800，終點里程為DK24+617.145，車站主體結構凈長266.345m，有效站臺中心里程處凈寬20.3m，端頭井凈寬為東側24m、西側28m。有效站臺中心處基坑開挖深度為29.55m，頂板覆土約為2.88m。東西端頭井開挖深度分別為30.086m、31.81m。該基坑為典型的狹長形基坑。

該站主體圍護結構采用1000mm厚地下連續墻，其良好的整體性及防滲性可有效控制地面沉降及變形。地下連續墻總長度611.166m，共計105幅，接頭采用工字鋼接頭。混凝土為C25混凝土（見圖6）。

車站標準段及端頭井沿基坑深度方向均設置5道支撐，其中標準段第1道為800×1000混凝土支撐，水平支撐間距為9m，第2、5道為Φ609鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距均約為3m，第3道為1100×1000混凝土支撐，支撐水平間距為9m，第4道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距為3m；端頭井處第1道為800×1000混凝土支撐，支撐間距為5m，第2道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距為3m，第3道為1100×1000混凝土支撐，支撐水平間距為5m，第4道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），第5道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐間距約為3m。支撐剖面如圖1。

圖1 基坑支撐剖面

2 有限元模擬

2.1 模擬工況

使用有限元軟件PLAXIS 3D對上述施工方案相應簡化后進行模擬，模擬方案為：第1道為800×1000混凝土支撐，支撐間距為9m，第2、5道為Φ609鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐間距均約為3m，第3道為1100×1000混凝土支撐，支撐水平間距為9m，第4道為Φ800鋼管支撐（壁厚均為16mm），支撐水平間距為3m，鋼支撐施加500kN預應力。有限元模擬計算工況為：

工況1：初始應力場計算；

工況2：地下連續墻施工、開挖坑內土至冠（腰）梁及支撐底；施作第一道混凝土支撐及頂圈梁；

工況3：開挖至第2道鋼支撐下，施作第2道鋼支撐，并施加預應力；

工況4：開挖至第3道混凝土支撐下，施作第3道混凝土腰梁及混凝土支撐；

工況5：開挖至第4道鋼支撐下，施作第4道鋼支撐，并施加預應力；

工況6：開挖至第5道鋼支撐下，施作第5道鋼支撐，并施加預應力；

工況7：開挖至基坑底。

換撐及拆撐不是最危險工況，不進行模擬。

2.2 模擬尺寸及參數選取

模型x、y、z方向分別取140m×400m×40m，地層從上至下依次為：素填土、粉質粘土、粗砂、礫砂、中風化泥質粉砂巖。土體采用HSS模型，即小應變土體硬化模型；巖體、鋼筋混凝土梁及鋼管支撐采用線彈性模型。各土體參數如表1。坑外水位取19.21m。巖土體、連續墻采用實體單元，支撐梁、冠梁、腰梁及立柱均采用梁單元。

表1 土體參數

另外，混凝土支撐彈性模量為30GPa，Φ800鋼支撐彈性模量為210GPa，Φ609鋼支撐彈性模量為206GPa。地面超載按標準值20kPa計算。

2.3 有限元模擬結果

有限元軟件模擬施工方案支撐體系的結構為“砼-鋼-砼-鋼-鋼”，模型結構如圖2。

圖2 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”模型結構

（1）整體位移模擬分析。圖3、圖4為計算模型水平、豎向位移云圖。可以看出最大水平位移達24.90mm，最大地表沉降量為2.84mm，根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911-2013）表9.2.1-1和車站主體結構的基坑變形保護等級確定：地面最大沉降量應＜0.15%H且＜30mm，支護結構最大水平位移應＜0.15%H且＜30mm，該方案模擬結果滿足支護結構最大水平位移控制值（圖5）。

圖3 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”水平位移

圖4 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”地表沉降

圖5 “砼-鋼-砼-鋼-鋼”標準段地表沉降縱剖圖

（2）監測點位移分析。在地下連續墻位置選擇4個水平位移監測點（WY1、WY11、WY20、WY22），其中WY11、WY20位于標準段中間，WY1、WY22位于端頭井處各一個；另外為分析地表沉降，監測了端頭及標準段中點WY1、WY4及WY20位置分別沿所在基坑邊的垂線向外延伸距離依次為2m、5m、7m、8m（如圖6）。

圖6 模擬監測點位置

圖7為開挖至基坑底后沿墻深方向水平位移分布。可以看出有限元模擬結果與實際監測規律相吻合，但比實測略小，說明模擬正確。無論從實測還是模擬結果看，水平位移均隨著深度的增加而增大，同時，由于第3道支撐采取了混凝土支撐，其剛度較大，水平位移曲線于第3道支撐附近減小，使變形曲線呈現雙駝峰狀，WY11點較為明顯，體現了第3道鋼筋混凝土支撐的剛度增加效果。

圖7 沿墻深方向水平位移分布

不管是端頭還是標準段墻體最大水平位移不超過30mm，大致發生在23m深處，約為0.76H，在第4、5道支撐之間；由于第3道支撐為鋼筋混凝土支撐，其剛度較大，控制變形能力較強，而第4、5道支撐為鋼支撐，該位置土壓力也大，加之剛度相對較小，變形就相對較大。

圖8為坑外地表沉降變形規律。從數值模擬及實測結果均可看出地表沉降呈現拋物線型，最大沉降發生在距離坑邊5m左右，值為5mm，均較小，最大沉降約為最大水平位移的0.25倍。

圖8 坑外地表沉降規律

兩個端頭井與標準段相比，標準段中間部分變形相對小些。因此，實際施工過程中應更加注重端頭井的支撐加固和維護，確保施工安全。

從支撐軸力看，標準段第1道～第5道支撐最大軸力標準值分別為1099kN、2028kN、12501kN、4446kN及2011kN；端頭井第1道～第5道支撐最大軸力標準值1382kN、2890kN、10751kN、3527kN及1951kN。計算結果表明第3道支撐軸力遠大于其他支撐，即地面以下14m處，約為基坑總深的1/2處。因此在設計施工方案時應在第3道支撐進行相應加強，選擇混凝土支撐可有效減小施工過程中支撐體系的變形，提高結構的穩定性和安全性。

3 豎向不同內支撐結構對基坑變形影響

為了分析豎向不同內支撐結構對支護結構變形的影響，對比了兩種內支撐結構方案。

對比方案1：將施工方案的第3道混凝土支撐改為鋼支撐，鋼支撐間距、尺寸同第4道，其他均不變。

對比方案2：將施工方案的第4道鋼支撐改為混凝土支撐，混凝土支撐間距、尺寸同第3道，其他均不變。

對比方案1在模擬開挖施工過程第6道工序，即完成第5道鋼支撐后，基坑內支撐發生破壞，有限元模擬破壞形式如圖9，整體結構不再收斂，計算過程無法進行。第3道混凝土支撐改為鋼支撐基坑產生失穩破壞，加強第3道支撐剛度至關重要。

圖9 “砼-鋼-鋼-鋼-鋼”體系破壞結果

對比方案2計算結果云圖見圖10-圖12。可以看出最大水平位移約18.4mm，最大地表沉降為1.2mm，支護結構最大水平位移比施工方案可減小25%左右。

圖10 “砼-鋼-砼-砼-鋼”水平位移結果

圖11 “砼-鋼-砼-砼-鋼”地表沉降結果

圖12 “砼-鋼-砼-砼-鋼”標準段地表沉降縱剖圖

提取對比方案2關于前文3個監測點的連續墻水平變形數據，將其與施工方案模擬結果進行對比，如圖13。對比方案2的第4道鋼筋混凝土支撐比施工方案的第4道鋼支撐強度高，整體結構更穩定，支護結構水平位移均有所減小，如對周邊環境要求嚴格，第4道支撐采用鋼筋混凝土支撐可以有效減小變形。

圖13 沿墻深方向水平位移分布

圖14為坑外地表沉降變形規律。從數值模擬結果可看出地表沉降亦呈現拋物線型，最大沉降發生在距離坑邊5m左右，最大值亦有減小。

圖14 坑外地表沉降對比

4 結論

本文以南昌軌道交通四號線壇子口站深基坑工程為例，運用PLAXIS 3D有限元軟件模擬基坑施工下地下連續墻的位移及地表沉降規律，并將模擬變形與實際監測對比，分析了豎向不同內支撐結構對基坑變形影響，得到以下結論。

（1）根據深基坑支護設計方案，計算得到地下連續墻圍護結構最大水平位移24.9mm，滿足支護結構最大水平位移應＜0.15%H且＜30mm要求；最大水平位移大致發生在23m深處，約為0.76H倍。

（2）坑外地表沉降呈現拋物線型，最大沉降發生在距離坑邊5m左右，值為5mm，均較小，最大沉降約為最大水平位移的0.25倍。

（3）第3道支撐的軸力最大，該支撐約位于深基坑的1/2處，加強第3道支撐強度及穩定性至關重要。

（4）第4道鋼支撐如替換為鋼筋混凝土支撐，地連墻水平位移可減小25%，地表最大沉降亦可減小。第4道支撐采用鋼筋混凝土支撐可以有效減小支護結構水平變形。（5）有限元數值模擬變形結果與實際監測數據變化趨勢較吻合，說明采用HHS模擬深基坑施工可行，可為其他地鐵車站深基坑支撐體系的模擬計算提供參考。