武漢某地鐵車站深基坑開挖支護變形數值模擬研究

陳俊俊

摘 要：【目的】以武漢市唐家墩地鐵車站深基坑工程為例，綜合考慮場地工程地質、水文地質條件，權衡經濟、安全、施工難度、工期等因素的影響，最終采用連續墻加內支撐的方式對該深基坑進行開挖支護。【方法】結合ABAQUS數值模擬軟件中的Mohr-Coulomb準則進行三維建模，模擬研究了基坑開挖過程，預測了基坑開挖影響范圍內土體的水平位移、垂直位移及支護結構的變形，并與現場監測資料進行了比對?！窘Y果】研究結果表明：開挖初期主動土壓力主要由開挖面以下連續墻承擔，隨著開挖加深和支撐設置，主動土壓力在后期主要由開挖面以上連續墻承擔。圍護結構最大水平位移為30.3 mm，坑外最大沉降量17.5 mm，坑內最大隆起量為19 mm，與現場實測數據一致，從而驗證了設計方案的可行性?！窘Y論】基坑開挖支護方式滿足一級基坑變形控制要求。模擬結果表明支護設計方案是可行的。

關鍵詞：深基坑開挖；數值模擬；位移；變形

中圖分類號：TU753? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0066-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.013

Numerical Simulation Study on Supporting Deformation of Deep

Foundation Pit Excavation in a Subway Station in Wuhan

CHEN Junjun

（Wuhan Hanyang Municipal Construction Group Co.， Ltd.， Wuhan 430000， China）

Abstract： [Purposes] Taking the deep foundation pit engineering of tangjiadun subway station in Wuhan as an example， this paper comprehensively considers the engineering geology and hydrogeological conditions of the site， weighs the influence of economy， safety， construction difficulty， construction period and other factors， and finally adopts the continuous wall with internal support to excavate and support the deep foundation pit. [Methods] Combined with Mohr-Coulomb criterion in ABAQUS numerical simulation software， the three-dimensional modeling is carried out to simulate the excavation process of foundation pit， and the horizontal displacement， vertical displacement of soil and deformation of supporting structure within the influence range of foundation pit excavation are predicted， and are compared with the field monitoring data. [Findings] The results show that the active earth pressure is mainly borne by the diaphragm wall below the excavation face at the initial stage of excavation and with the deepening of excavation and support setting， the active earth pressure is mainly borne by the diaphragm wall above the excavation face at subsequent stage. The maximum horizontal displacement of the retaining structure is 30.3 mm， the maximum settlement outside the pit is 17.5 mm， and the maximum uplift inside the pit is 19 mm， which is consistent with the field measured data， thus verifying the feasibility of the design scheme. [Conclusions] The excavation and support mode of foundation pit can meet the deformation control requirements of first-class foundation pit. The simulation results show that the support design is feasible.

Keywords： deep foundation pit excavation; numerical simulation; displacement; deformation

0 引言

隨著城市地鐵的興起，國內外對地鐵站深基坑工程的研究也隨之增多。地鐵工程的建設面臨車站深基坑工程的設計、施工及監測等問題，對車站基坑工程的安全、穩定性等要求較高，還要考慮對鄰近建筑物及地下管線等環境因素的影響，在車站基坑工程施工過程中，需要對圍護體系及地表變形實時監測并及時采取相應措施［1］。因此，有必要對地鐵車站基坑工程施工過程中圍護體系的受力及變形和地表位移進行研究。

本研究以武漢市唐家墩地鐵車站深基坑工程為例，綜合考慮場地工程地質和水文地質條件，權衡經濟、安全、施工難度、工期等因素的影響，最終采用連續墻加內支撐的方式對該深基坑進行開挖支護［2］。同時，結合ABAQUS數值模擬軟件對該車站標準段基坑開挖的施工全過程進行了數值模擬，預測了基坑開挖影響范圍內土體的水平位移、垂直位移及支護結構的變形，并與現場監測資料進行了比對。對基坑內被動區土體采用不同加固方法對基坑開挖過程圍護墻及地表變形的影響進行了研究。

1 基坑工程地質概況

1.1 工程概況

該深基坑位于武漢市江漢區，地處發展大道與唐家墩路交叉口處?；友靥萍叶章烦誓媳弊呦颍瘘c里程為K24+827.6，終點里程為K25+55.4。車站結構為地下三層雙柱三跨結構，地下第一層為站廳層，第二層為設備層，第三層為站臺層。標準段基坑開挖深度約為20.5 m，端頭井開挖深度約為23.1 m，采用明挖法施工。

1.2 工程地質條件

勘查區位于長江Ⅰ級階地，為長江沖洪積物形成的堆積平原地貌。根據野外鉆孔巖性描述、原位測試結果及室內土工試驗成果，可將擬建工程場地勘探深度范圍內地層劃分為五大層、十三個亞層。各土層及支撐結構的物理力學性質如表1所示。地下水位按現場實測結合武漢市區域水文資料，取20 m為設計高水位。基坑降水至坑底以下1 m。

2 基于ABAQUS的基坑開挖數值模型構建

近年來，得益于計算機技術的高速發展，數值模擬技術在巖土工程中得到了廣泛的應用，很多復雜的巖土工程問題通過數值模擬可快速得到解析解［3-4］。本研究采用ABAQUS有限元軟件對該基坑的開挖支護過程進行了數值模擬計算。

2.1 基本假定

為了保證模型的順利建立，對一些次要因素及過于復雜的因素進行了簡化，基本假定如下：①假設各土層為水平分布；②假設土體為均質、各向同性的彈塑性體，強度服從Mohr-Coulomb強度屈服準則；③支撐和連續墻為完全彈性體；④不考慮施工對土體力學指標的影響。

2.2 模型尺寸及邊界條件

根據工程經驗，基坑開挖影響深度為開挖深度的2～4倍，影響寬度為開挖深度的3～4倍，故模型所取的計算域為130 m×60 m。選取寬度為6 m，包括一個計算寬度內的土體、支撐和連續墻。土體和連續墻部件采用三維實體拉伸，支撐采用梁單元。土體和連續墻之間設置硬（hard）接觸，支撐與連續墻設置為tie接觸。土體和連續墻采用三維八節點實體減縮積分單元（C3D8R）模擬，支撐采用梁單元模擬。然后分別賦予土體和圍護結構材料參數。

2.2.1 邊界條件。整個模型底部約束X、Y、Z軸方向的位移。其中，左右兩側約束X軸方向的位移（U1=0）；前后面約束Y軸方向位移（U2=0）；上邊界為自由邊界。墻體與土體之間設置為面面摩擦接觸（摩擦系數取值0.3）。

2.2.2 采用按邊布種的方式進行網格劃分。為同時兼顧計算機性能和精度要求，墻體和基坑圍護結構附近網格較密，最小網格尺寸為1 m，離墻體越遠網格越疏松，由連續墻向兩側網格尺寸逐漸增大（1～4 m）。具體有限元網格劃分如圖1所示。

2.3 基坑支護形式

基坑重要性等級為一級，側壁安全等級為一級?；娱_挖深度20.5 m。主體標準段圍護結構采用地下連續墻+內支撐圍護結構，使用厚度為1 m的地下連續墻，連續墻頂低于地面，地下連續墻深入中風化泥質粉砂巖2～3 m以起到隔水作用。連續墻上方另作1.5 m高擋土墻。

支撐采用直徑為609 mm、壁厚為16 mm的鋼管。施工期間基坑側面超載按無限局部荷載q2=15 kPa，施工道取分布寬度為6 m距基坑邊緣距離3 m的條形荷載q3=18 kPa。不考慮內外滲流影響，基坑開挖支撐步驟如下：①第一次開挖至地表下2.3 m，設置第一道內支撐；②第二次開挖至地表下6.4 m，設置第二道內支撐；③第三次開挖至地表下10.8 m，設置第三道內支撐；④第四次開挖至地表下14.6 m，設置第四道內支撐；⑤第五次開挖至地表下17.8 m，設置第五道內支撐；⑥第六次開挖至基坑底部，距地表20.5 m處。

2.4 參數選取

土體及圍護結構力學參數的選取如表1所示。

3 結果分析與討論

3.1 初始應力場分析

對模型整體施加重力荷載，然后令位移場清零，得到初始應力，如圖2所示。從圖2可以看出，初始應力場主要受土體自重影響，分布較均勻，隨著深度加大數量級加大。

3.2 基坑外地表水平位移分析

第二次和第五次挖階段的基坑水平位移變化如圖3所示。由圖3可以看出，基坑圍護墻體嵌入一定深度的巖層中，隨著開挖深度的增加，最大水平位移點的位置隨開挖面逐漸向下移動，且變形區域逐漸增大。

由圖3還可以看出，水平位移等值線呈現以開挖面與連續墻交界處為中心，逐漸向兩側擴張的漏斗形狀。隨著開挖深度的增加，漏斗不斷向兩側擴張，影響范圍隨之增大，同時漏斗核心區位移幅值不斷加大，在開挖結束時達到最大值。值得注意的是，水平位移最大值并不是發生于開挖面連續墻處，而是在該點上方的一定位置。

開挖過程中地表水平位移變化如圖4所示。圖4中水平位移變化值與圖5中各階段水平位移云圖變化趨勢相一致。隨著基坑向下開挖，發生最大水平位移的位置逐漸遠離墻體，并始終位于開挖面偏上處。值得注意的是，連續墻的水平位移各工況均有兩個極值點，這就對應了云圖開挖面上下各存在一個承載集中區域。

3.3 土體豎向位移分析

第一次到四次挖階段的基坑豎向位移變化如圖5所示。由圖5可以看出，基坑圍護墻體嵌入一定深度的巖層中，隨開挖深度的增加，最大豎向位移點的位置隨開挖面逐漸向下移動，且變形區域逐漸增大。

由圖5可知，不同開挖階段的豎向位移極值區域均靠近連續墻的坑角位置。step1后，沉降最大位置靠近墻體。隨著開挖的進行，發生最大沉降位移的位置逐漸偏離墻體。step2之前的主要問題是坑內隆起問題，step3之后坑外沉降變得越來越明顯，沉降量和范圍也不斷增大。

相比于豎向位移，地表沉降和坑內隆起更值得重視。因此，下面分別用ABAQUS指定路徑畫XY曲線圖，在地表和坑底指定路徑，繪制各工況地表沉降如圖6所示，step6坑底隆起如圖7所示。

由圖6和圖7分析可知，地表最大沉降在step6地表距基坑邊緣的3～5 m處取得，為17.5 mm；坑底最大隆起量在step6的基坑中心位置取得，為19 mm。

3.4 墻體水平位移

選取計算鉆孔附近連續墻水平位移監測點CX-6監測資料，與模擬連續墻水平位移數據做對比分析，結果如圖8所示。結果表明，在預測坑內水平方向位移時，模擬結果與監測數據較吻合，整體趨勢一致，模擬最大位移位置較監測結果偏上，在基坑上部連續墻向土體方向的位移，兩者差別較大，誤差產生的原因主要有以下兩個。

3.4.1 模型計算沒有考慮鋼支撐預加力。實際施工施加了較大的預加力，導致墻體在頂端向墻后土體方向產生較大位移，以及在11 m深度處（第三道鋼支撐位置）位移方向由向坑內變為向坑外的位移，這些因素又同時導致了坑內位移最大值向下移動。

3.4.2 模型沒有考慮施工和降水引起的土體參數改變?？傮w來說，模型的建立和參數的選取是比較可取的，可以較為客觀地反映連續墻變形情況，本有限元模型可以用來模擬本基坑的開挖與支護。模擬結果表明，基坑變形滿足一級基坑位移小于0.15% H（H為基坑深度），且不大于40 mm的變形控制要求。

4 結論

本研究以武漢市唐家墩地鐵車站深基坑工程為例，根據勘察報告分析其場地條件，比選支護方案，通過ABAQUS數值模擬的方式，選用Mohr-Coulomb模型研究了基坑開挖影響范圍內土體的位移及支護結構的變形，并得出以下結論。

①綜合考慮工程地質、水文地質條件，權衡經濟、安全、施工難度、工期等因素的影響，采用連續墻加內支撐的方法對唐家墩地鐵車站深基坑進行開挖支護。

②在被動區和主動區均存在一個水平位移極值集中區。開挖初期，被動區極值集中區幅值更大，主動土壓力主要由開挖面以下連續墻承擔。隨著開挖加深和支撐設置，主動土壓力在后期主要由開挖面以上連續墻承擔。

③圍護結構最大水平位移為30.3 mm，坑外最大沉降量17.5 mm，坑內最大隆起量為19 mm，滿足一級基坑變形控制要求。

④在實際開挖過程中，土體參數會隨施工過程改變，具體有待做進一步的深入研究。

參考文獻：

［1］劉國斌，王衛東.基坑工程手冊［M］.2版.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［2］李糧綱，陳惟明，李小青.基礎工程施工技術［M］.武漢：中國地質大學出版社，2001.

［3］劉嘉.SMW工法在基坑支護中的應用及分析研究［D］.揚州：揚州大學，2012.

［4］羅積勝.地鐵車站咬合樁圍護結構設計計算方法及其應用研究［D］.成都：西南交通大學，2009.