基于有限元分析地鐵深基坑開挖周圍地表沉降

楊永強 YANG Yong-qiang；辛永江 XIN Yong-jiang；張永波 ZHANG Yong-bo

（①西藏大學，拉薩 850000；②中交第三航務工程局有限公司，上海 200000）

0 引言

20世紀80年代以來我國常住人口城鎮化率已經高達到60%以上，城市面對人口的大量涌入就需要面對較嚴重的城市群常有的環境問題、住房問題和交通問題。其中交通問題的解決上，立體的交通體系有效的利用到有限的地面空間，是改善城市交通的常見方式。地鐵作為公共交通同時又是地下交通設施在現如今大城市交通中承擔著重要的通勤任務，更是擁有著減少污染，節約能源，減少干擾等優點。但是在地鐵施工的建設中不可避免地會對周圍原有地建筑物，地下管線等原有設施造成影響，因此對于地鐵基坑開挖過程中進行風險評價影響因素分析是必要的工作。

針對地鐵車站基坑開挖的變形沉降規律，國內外學者以數值模擬、現場監測等多種手段進行了研究。張建全等對北京不同區域明挖基坑地表沉降變化進行了研究，進行了四點折線法地表沉降預測研究。張連澤等運用FLAC對成都地鐵麓山站明挖基坑進行了三維模擬。劉杰等對地鐵圍護結構變形監測結果進行了分析。涂儒杰等運用Midas/GTS NX軟件對臨近地鐵工程的基坑開挖進行了安全評估。譚維佳等運用FLCA分析同一個基坑對不同建筑物影響的不同。王立新等運用Midas/GTS NX軟件研究了基坑卸載對臨近地鐵車站影響的數值模擬。

鑒于此，為獲得合肥地區地層地鐵基坑開挖對鄰近的周圍土體影響規律，以合肥地鐵五號線某車站為例，建立地鐵開挖的三維數值模擬，總結不同施工階段下基坑周圍土體位移變化趨勢，圍護結構變形規律，以及圍護結構的變化產生的相對應變化。為合肥地區地鐵施工提供相對應的參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

本文選取合肥地鐵5號線的某地鐵車站為研究對象，該地鐵車站車站主體總長276.4m。標準段總寬度20.7m。站地面起伏較小，地面標高約22.64-24.03m；站臺中心處頂板覆土約4.05m。標準段底板埋深約15.6-17.6m；小里程端頭井覆土約3.1m，埋深約16.97m，大里程端頭井覆土約4.2m，埋深約18.90m?？拥孜挥冖?層黏土層，圍護結構選用1m直徑間距1.4m的鉆孔灌注樁，樁長約22.0-23.0m沿基坑深度方向設置三道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，第二第三道支撐為鋼支撐。車站采用明挖法施工。平面示意圖如圖1所示，基坑支護結構剖面圖如圖2所示。

圖1 新建地鐵開挖基坑與原有房屋建筑平面位置圖

圖2 基坑支護結構剖面圖

1.2 工程地質概況

該地鐵擬建區域屬二級階地地貌類型，該地區覆蓋層為第四紀人工堆積層、第四紀晚更新世沖洪積層。區域地層自上而下為：第一層素填土（①，厚度0.3-2m）以黏性土為主，含少量碎石、磚渣等雜物，局部表層為混凝土地面或瀝青路面；第二層黏土（⑥1具有微膨脹性，厚度2-4m）；第三層黏土（⑥2具有微膨脹性，厚度30-40m）。根據結構與性狀特征分為三層，層面起伏較小，地層地質層級如圖2所示。

1.3 水文條件

場地施工影響深度范圍內地下水主要賦存于人工填土中，以上層滯水為主水量微弱。測得水位埋深為1.80-4.20m，平均埋深為2.65m。地下水徑流形式主要為孔隙間滲流。黏土層和全風化巖富水性及透水性較差，連通性差，因此地下水徑流一般。

2 有限元模型建立與施工工況模擬

2.1 模型建立

采用有限元軟件Midas GTS NX建立模型，考慮實際基坑的長寬比過大，不方便結果的查看以及模型的建立，故只截取標準段及相連接端頭井基坑建立三維模型。充分考慮基坑內土體開挖卸荷，導致基坑臨近土體應力重分布從而產生的位移將基坑工程影響分區為主要影響區（Ⅰ）、次要影響區（Ⅱ）和可能影響區（Ⅲ）。基坑工程開挖影響分區如圖4所示，H為基坑開挖深度。充分考慮基坑施工對周邊的影響范圍，同時為消除邊界效應影響并考慮計算精度，基坑外圍土體取值不小于3倍基坑開挖深度，深度方向取值不小于2倍的圍護樁樁底嵌入深度。最終本模型構建模型尺寸為：長236m、寬130m、深46m，基坑開挖深16m、標準段寬20.7m，共計277063個單元，1900036個節點。建立整體基坑開挖模型如圖3所示。

圖3 有限元基坑開挖模型

圖4 基坑工程影響分區

為滿足模型的建立以及順利計算在建模過程中進行了一定處理：①考慮到地層起伏較小，且對結果影響較小，為方便建模取標準段斷面地層等厚處理。②本模型建立時忽略周圍建筑物產生的荷載。

模型中涉及到的各地層土體物理力學參數、圍護結構參數均參考設計圖紙以及地質勘探報告并結合以往工程設計經驗確定。地層土體力學參數祥見表1、圍護結構單元參數詳見表2。土體的計算模型選用修正摩爾-庫倫本構模型，冠梁、圍檁、鋼支撐選用一維梁單元模擬，擋土墻選用板單元模擬，材料本構選用的為彈性模型。將圍護樁根據抗彎剛度相等原則等效為一定厚度地下連續墻模擬圍護樁。計算公式如下：

表1 土體物理力學參數

表2 模型結構單元參數

其中，D—圍護樁直徑；t—圍護樁凈間距；h—地下連續墻的等效厚度。

邊界條件設定：模型上表面為地表，設定為自由邊界；側面均存在實體設定為位移邊界限制水平移動；底面設定為固定邊界限制垂直移動以及水平移動，模型整體受重力影響。

2.2 施工過程模擬

運用Midas GTS NX軟件能夠實現在不同的施工階段進行模擬分析，得到各個施工階段的土體位移云圖、以及圍護結構不同施工階段的位移云圖。為求最大化的貼合實際施工狀況分析時所設定工況結合了施工實際情況以及設計主體標準段施工工序。設定分析工況如下：

第一階段：初始階段，模擬土體固結邊界條件產生的位移清零。

第二階段：圍護樁施工完成。

第三階段：開挖至-2m處第一道支撐在-1m處，冠梁、擋土墻、第一道支撐施工完后成。

第四階段：開挖至-4m處。

第五階段：開挖至-6m處。

第六階段：開挖至-8m處第二道支撐位于-7.1m。第二道支撐施工完成。

第七階段：開挖至-11m處。

第八階段：開挖至-14m處第三道支撐位于-12.7m。第三道支撐施工完成。

第九階段：開挖至基坑設計深度-16m處。

3 數值模擬分析

3.1 數值模擬分析

通過上述參數以及模型，對基坑開挖和支護進行數值分析運算，開挖至基坑底部整體豎直位移變形如圖5所示。土體在開挖過程中原有的土體平衡狀態被打破，圍護結構被周圍土體向基坑內推動，逐漸向基坑內產生位移，如圖5最終呈現出基坑周圍沉降，基坑底部隆起。

圖5 開挖至坑底豎向位移云圖

隨著施工過程的變化基坑外地表沉降情況如圖6所示，基坑開挖引起的地表沉降曲線可以分為三角形和凹槽型兩種形態，當基坑采用懸臂式支護或支護結構變形較大時，最大的沉降值在基坑邊緣處，沉降曲線會呈現出三角形分布，在工況二和工況三情況下便呈現出三角形分布。隨著開挖深度的不斷增大，開挖圍護結構由擋土墻部分開挖至圍護樁內支撐結構范圍內，支護結構外部的土體與圍護樁接觸產生的摩擦力一定程度上限制了土體下沉，地表沉降明顯呈凹槽形分布且伴隨著基坑開挖深度變大沉降量也不斷變大。所呈現出的不同施工階段地表沉降與圖4基坑開挖影響分區相符合，最大的沉降范圍約為2倍的基坑開挖深度，3倍基坑開挖范圍外基坑沉降影響較小為可能影響區。最大沉降數值在坑壁后一倍基坑開挖深度之間，整體呈現出凹槽型分布。

圖6 不同施工階段下地表沉降圖

圍護結構的側向位移具有明顯的伴隨開挖深度變化變形的特點，這是由于伴隨基坑開挖深度加深，基坑內外的土壓力差之間增加，達到基坑開挖底部時圍護結構側向變形隨之達到最大值。當進行到工況七時圍護結構側向變形出現兩個峰值，這兩個變形的峰值分別在地下-4m附近和-10m附近。而在-7.1m第二道支撐位置，圍護結構側向變形明顯減小。整個基坑開挖過程中最大的圍護結構側向位移位于-10m左右第二道支撐與第三道支撐之間。不同施工階段圍護結構側向位移如圖7所示。

圖7 不同施工階段圍護結構側向位移

3.2 圍護結構的變化對坑外地表沉降分析

基坑開挖對周圍地表沉降影響因素有很多，在基坑圍護結構設計中，圍護樁的入土深度、圍護樁樁徑、以及圍護樁樁間距、圍護結構剛度、支撐的安放位置等。本文針對其中的樁長、樁徑、樁間距進行敏感性分析探索基坑支護結構設計的合理設計。

運用控制變量法在樁間距、樁長保持不變的情況下調整樁直徑，分別模擬不同間距狀況下的基坑周圍沉降變化。分別采取1.2m直徑、1m設計直徑、0.8m直徑進行分析并將這幾種情況分析結果進行繪圖對比，結果圖如圖8所示，樁徑0.8m沉降值略大于1.0m設計樁徑的沉降值而1.2m樁徑沉降值小于1.0m設計樁徑沉降值且大于0.8m樁徑沉降值，呈現出樁徑減小沉降值增大的負相關。

圖8 不同樁徑下坑外地表沉降圖

運用相同的方法同時也進行了樁間距、樁長在其它變量不變情況下的周圍沉降情況分析，結果如圖9和圖10所示。樁徑、間距保持設計尺寸，樁間距分別采用1.0m間距、1.2m間距、1.4m設計間距、1.6m間距從圖中可以看出圍護樁間距的變化幾乎并沒有影響到周圍地表沉降的數值。樁徑和樁間距保持設計尺寸不變的同時樁長分別采用20m、22m、25m周圍地表沉降數值有著明顯的變化。通過圖表對比可以明顯得出樁長、樁徑、樁間距在支護結構設計中對周圍地表沉降的敏感性，影響周圍土體沉降的主次因素排序為樁長、樁徑、樁間距。

圖9 不同樁長下坑外地表沉降圖

圖10 不同樁間距下坑外地表沉降圖

4 結論

托于合肥地鐵五號線車站基坑工程，通過運用Midas GTS NX軟件對基坑開挖過程中以及不同圍護結構下產生的地表沉降進行分析得到以下結論：

①該支護體系下基坑開挖最大沉降數值為12.6mm，滿足設計相關規定的一級安全等級地面最大沉降量≤0.15%H（H為基坑深度），影響范圍也符合安全等級規定，表明支護結構的設計是安全可靠的。

②樁徑，樁長，樁間距，對基坑外地表沉降的影響主次因素結果中，樁長的影響最大，樁徑其次，樁間距影響最小。在以后的施工設計中可以在安全的前提下優先優化樁長。

③開挖后的土體呈現出由周圍向基坑底部移動的趨勢，基坑底部存在隆起，施工過程中基坑周邊堆載會加劇隆起，引起基坑失穩。