地鐵車站深基坑開挖全過程的三維數值模擬分析

孫 兵 ，陶 然 ，周文波

1.上海隧道工程有限公司，上海 200032；2.南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 210009；3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200032；4.上海城市基礎設施更新工程技術研究中心，上海 200032

近十幾年來，伴隨著城市地下空間的深度開發，基坑工程作為地下空間結構保駕護航的先期工程，面臨巨大挑戰。特別是近年來，隨著基坑規模越來越大，開挖越來越深，對深基坑工程的研究提出越來越多的要求。目前對于基坑開挖的研究主要集中于開挖完成后的變形，例如劉國彬等［1］研究了深基坑支護結構可能產生的變形破壞和土體塑性破壞等；文獻［2-6］研究了受力特性引起基坑圍護結構的破壞，進而引起整個基坑穩定性的破壞等。而對于施工全過程中基坑圍護結構及周圍土體的變形過程鮮有研究。本文針對地鐵深基坑各分區的實際開挖步驟，采用ABAQUS 軟件建立三維數值模型，研究了全開挖過程中基坑及支護結構的變形和受力特性，分析了周圍土體的變形和基坑塑性區域的分布，進而對實際工程提出指導意見。

1 工程概況

本文以南京地鐵五號線七橋翁車站為例。該車站位于規劃冶修二路與規劃紅花路的交叉口，為地下二層島式站，車站總長201.4 m、總寬20.1 m。規劃的紅花路為東西向，寬37 m；規劃的冶修二路為南北向，寬33 m。

車站基坑埋深標高18 m，地板埋深17.9 m，采用鉆孔灌注樁的形式加工法樁作為內支撐，圍護結構最大寬度達到26.9 m。圍護結構具體尺寸及水平布局如圖1所示，支撐材料、標高見表1。

表1 基坑支撐情況Table 1 Foundation pit support condition

圖1 基坑支撐布置平面圖Fig.1 Layout plan of foundation pit support

車站施工區域內以粉土、砂土、粉質黏土為主，基坑坑底基本處于粉土內，圍護結構插入粉質黏土層，采用明挖順作法對車站主體結構進行施工。土層分布及物理力學性質如表2所示。

表2 各土層物理力學參數指標Table 2 Physical and mechanical parameters of each soil layer

2 ABAQUS數值模型

運用有限元軟件ABAQUS 建立基坑三維分析模型。為了減小邊界條件的影響，基坑建模時取不少于2 倍基坑的開挖深度［3］，即模型高度取至地面以下70 m，模型長度350 m、寬度150 m，整體有限元模型如圖2所示。

圖2 基坑三維數值模型Fig. 2 3D numerical model of foundation pit

為簡化分析，本文將圍護結構等效為地連墻，并將基坑模型分為南區與北區；模型底部采用固定約束，模型側邊界采用側向約束；場地土體與圍護結構之間采用摩擦接觸，摩擦系數取0.4；土體與圍護結構采用實體單元（C3D8R），支撐采用梁單元（B31）；土體采用摩爾庫倫準則考慮其非線性，圍護結構則采用線彈性模型模擬其力學行為。

基坑開挖采用單元失效的方法模擬基坑土體的開挖，模型參數及開挖步驟分別見表3～表4。

表3 模型計算參數Table 3 Model calculation parameters

表4 施工開挖步驟Table 4 Excavation steps in construction

為提高計算效率，ABAQUS 軟件模擬時采用減縮積分技術并通過剛度增強技術進行計算。

3 支護結構及基坑土體變形分析

3.1 支護結構側向變形分析

為研究地下連續墻墻身水平變形，在南北兩區的端頭井段與標準段分別選擇兩個斷面，研究地連墻和支護結構的側向位移情況。南北兩區4個斷面位置如圖3 所示，其中1-1、3-3 斷面屬于端頭井段，1-1斷面位于南基坑北側7.1 m處，3-3斷面位于北基坑南側7.1 m處；2-2、4-4斷面為標準段，2-2 斷面位于南基坑北側36.18 m 處，4-4斷面位于北基坑南側54 m處。

圖3 地下連續墻關鍵斷面 單位：mFig. 3 Key section of underground continuous wall

4 個斷面的支護結構側向偏移曲線如圖4 所示。由圖4 可知，開挖完成后地連墻沿著深度方向變化特征相似，均表現為在頂部和底部變化較小而中部變化較大的“紡錘”型，即在開挖深度5～20 m 時，基坑的水平位移不斷增加，在墻頂下方0.7H～0.8H（H為墻體高度）處達到最大值，最大側移約60 mm，之后隨著深度增大，水平位移逐漸減小，直至到地連墻底部位移趨于零；標準段地連墻側移量大于端頭井側移量。

圖4 地下連續墻關鍵斷面支護結構的側向偏移量Fig. 4 Lateral offset of support structure of key sections of underground continuous wall

圖4中，在開挖完第二層土后，曲線發生明顯變化，原因可能是內支撐具有很大的剛度。第一道鋼支撐的施加使得相應位置的土體位移受到限制，變形基本發生在該道支撐以下受限相對較小的區域；隨著多道內支撐的架設，支護系統的整體剛度越來越大，位于支撐上方的地連墻幾乎保持不變，支撐下方地連墻變形的增長速率也有所減緩。

3.2 基坑土體變形分析

3.2.1 坑內土體隆起

依舊取上述4個斷面對基坑內土體的隆起情況進行研究，分別繪制各個斷面上土體的隆起位移圖，如圖5所示。

圖5 坑底土體隆起位移圖Fig. 5 Displacement map of soil uplift at pit bottom

由圖5可知，隨著基坑的開挖，坑底土體在不斷卸荷，從而引起坑底土體隆起量的持續增長，表現為沿著斷面方向基坑中心部位的隆起量大，基坑邊靠支護結構的部位隆起量小，且隆起量的大小與基坑平面尺寸有密切的關系（基坑平面尺寸越大，坑底隆起值越大），端頭井段的坑底隆起量相對標準段較小。

3.2.2 基坑周邊土體沉降

在基坑開挖過程中，基坑周邊土體會產生豎向變形，此處比較了基坑邊一側距基坑邊不同距離的周邊土體變形情況。為此，在上述4 個斷面上分別取距離基坑一側5、10、15、20、25、30、35、40、50 m 的點，對每個開挖步驟及初始應力平衡后的沉降情況進行分析，如圖6所示。

圖6 基坑周邊土體沉降量Fig. 6 Settlement of soil around foundation pit

由圖6可知，4個斷面的沉降曲線均呈現“勺”狀，且均在距離基坑邊緣8～9 m 處出現沉降峰值，最大沉降數值約為10 mm；此外，亦能看出端頭井段處斷面的周邊土體沉降量相對標準段較小；在距離基坑邊緣10 m 范圍內，基坑開挖導致的地面最大傾斜約為0.01 m，會對該范圍內的砌體、框架和高層建筑產生不利影響；而距離基坑邊緣30 m以外的地面最大傾斜約為0.003 m，可認為不會對地面建筑造成明顯影響。

4 結論

采用ABAQUS 有限元軟件對地鐵深基坑開挖全過程進行三維數值模擬，研究了基坑開挖過程中圍護結構的變形和受力特性，分析了坑內土體的隆起變形及基坑周邊土體的沉降規律，得出如下結論。

（1）隨著基坑的開挖深度不斷加大，坑底位移持續增加；坑底中心區域存在較大隆起，且挖深越大，隆起越大，整體為“鼓肚子”形式的變形。

（2）在墻體頂部下方0.7H～0.8H處支護結構側移達到最大值，最大側移約60 mm（端頭井部最大側移為30 mm）；此后隨著挖深繼續增大，側向位移逐漸減小，直至到地連墻底部位移趨于零。

（3）基坑開挖會導致周邊土體沉降，在距離基坑邊緣10 m 范圍內，基坑開挖導致的地面傾斜會對該范圍內的砌體、框架和高層建筑結構產生不利影響；而距離基坑邊緣30 m 以外的地面傾斜則不會對地面建筑造成明顯影響。