內撐式地鐵基坑支護結構優化設計影響因素分析

摘要：文章以蘇州地鐵4號線某車站基坑圍護工程為例，建立數值模型，分析了內撐式基坑支護結構體系中支撐豎向布置、水平間距、剛度、支護樁徑等關鍵設計參數對支護體系內力、變形以及地表位移的影響規律。結果表明：中間支撐的布置接近坑底有利于基坑變形控制，支撐水平間距以適合施工的4 m為宜；支撐剛度越大，支撐軸力差異越明顯；支護樁直徑0.8～1.0 m能使地表豎向位移得到較好控制。基于研究結果，提出了相應的支護體系優化調整方案，在滿足安全性要求下，可通過對設計參數的適當調整使地鐵基坑工程的設計更加經濟合理。

關鍵詞：地鐵車站基坑；支護結構；設計參數；數值分析

中圖分類號：TU473.2 文獻標志碼：A

0引言

近年來，隨著我國基礎設施建設規模不斷擴大，以地鐵為主導的地下軌道交通在各大城市快速發展，相應的地鐵基坑工程也不斷增多。由于地鐵工程穿越城市建筑密集地區，其基坑工程對周邊環境的影響也日益重要，如何在確保支護體系安全穩定的前提下，優化設計方案以減少對周邊環境的影響并取得較好經濟效果，成為地鐵基坑工程設計的重要問題。

當前，已有不少學者從理論分析、現場監測、數值模擬等方面探討了相關基坑設計參數對支護體系內力與變形、巖土體位移的影響規律，得到了一些有益的結論。莫海鴻等［1］、吳江濱等［2］、周愛其等［3］建立了基坑支護體系設計的優化數學模型，利用目標函數求解獲得最優設計參數，對相關工程案例進行了驗證。Mana等［4］研究了基坑開挖變形與安全系數關系，提出了相應的基坑開挖經驗公式。聶宗泉等［5］建立了基坑地表土層與圍護結構豎向位移的理論公式，在上海地區地鐵車站基坑工程中驗證了其準確性。孫鈞［6］、蔣洪勝等［7］、姜晨光等［8］通過對基坑現場監測數據的研究，分別得出了基坑地表沉降的主要影響因素、時空效應對支撐軸力的影響規律、基坑變形估算公式及圍護結構變形影響因素。Hashash等［9］、陸新征等［10］、施占新［11］、陳林靖等［12］和張超翔等［13］分別利用有限元、有限差分等數值方法計算了基坑施工過程中支護結構的水平位移，并與監測值進行對比，探討了土與結構相互作用下的基坑變形規律。宮志群等［14］從圍護樁的變形和周邊地表沉降方面研究了不同剛度和施工順序下基坑空間效應的差異性。此外，還有學者針對地鐵基坑開挖對周邊建筑物變形與沉降進行了數值模擬，研究了建筑位置以及基坑深度對建筑物地基基礎的影響［15-16］。現有研究成果表明，地鐵基坑支護結構的內力、變形以及周邊地表位移成為評價基坑工程安全穩定的關鍵因素，也是研究人員關注的重點。雖然基坑工程相關設計理論在實踐中已有較多的應用，但由于區域地質條件、周邊環境和施工工況的差異，基坑支護結構理論結果與工程實際還有較大誤差，因此，工程中通常會選擇較為保守的設計方案，這就給基坑工程的優化留下了空間。

對于地鐵基坑而言，由于基坑深度大、土質條件復雜以及平面跨度較小，內撐式支護結構得到廣泛應用。內撐式支護結構由擋土構件和支撐構件組成，在一定的地質與周邊環境條件下，擋土構件尺寸，支撐構件的剛度、數量和間距等設計參數成為影響支護效果與工程造價的關鍵因素。本文結合蘇州地鐵4號線某車站基坑工程，采用數值方法分析了相關設計參數對內撐式支護結構及周邊地表位移的影響規律，便于類似工程進行優化設計，節約成本。

1數值模型建立

1.1工程概況

基坑工程位于蘇州地鐵4號線中間位置，標準段平均挖深15 m，寬度20 m，采用排樁+內支撐支護方案，基坑等級一級。灌注樁采用C30混凝土，樁徑1 m，間距1.5 m，嵌固深度5 m，以直徑600 mm攪拌樁作止水帷幕。內支撐采用3道φ609（δ=16 mm）鋼支撐，豎向間距4～5 m，水平間距4 m。場地地下水類型為潛水，埋深2 m，土層基本物理力學性質指標如表1所示。

1.2模型建立

根據基坑開挖深度和范圍，考慮邊界條件，利用庫倫深基坑支護結構分析軟件建立有限元平面計算模型，尺寸為100 m×35 m。排樁、內支撐采用彈性本構模型，土體采用修正Mohr-Coulomb模型，并考慮樁土接觸效應。基坑邊緣2 m范圍內按1∶1放坡，基坑邊緣15 m內布置10～20 kPa施工荷載，計算剖面如圖1所示。

1.3計算工況

本基坑采用明挖法，計算工況按照施工順序分為6步：（1）計算初始地應力場；（2）基坑放坡至-2 m；（3）排樁、地表施工荷載布置，工程降水；（4）布置第1道支撐并開挖至第2道支撐下1 m；（5）布置第2道支撐并開挖至第3道支撐下1 m；（6）布置第3道支撐并開挖至-15 m。

為了分析不同設計參數對支護結構的影響，以支撐豎向和水平間距、剛度、樁長等因素變化分別建立模型進行計算。其中，首層支撐位于-2 m處與冠梁位置對應，底層支撐距坑底4 m固定不變，中間與首層支撐間距按照4 m、4.5 m、5 m不同情況計算；支撐水平間距分別按3 m、4 m、5 m、6 m計算；支撐剛度與彈性模量、截面面積和支撐長度有關，文中以φ609（δ=16 mm）鋼支撐剛度為參考值，通過調整截面面積實現不同剛度的計算工況。

2支護效果影響因素分析

2.1支撐布置

本基坑開挖深度15 m，首道支撐位于-2 m，取支撐豎向間距4～5 m，水平間距4 m，設計A、B、C 3種支撐布置方案，如圖2所示。

根據以上方案，不同支撐豎向布置下的計算結果如表2所示，支撐力分別代表施工至最后工況時第1～3道支撐的受力。可以看出，在3道支撐體系下，地表最大位移及支護樁深層水平位移均未超出監測規范允許值。在第1、3道支撐位置不變的情況下，改變第2道支撐位置對支護體系受力與變形有一定程度影響。方案C相對于方案A，隨著第2道支撐下移1 m，首道支撐力增加了67.4%，第2道支撐力增加了7.2%，第3道支撐力下降了4.3%，方案C的支撐力雖然整體有所增大，但支撐力趨于相對均勻。另外，第2道支撐下移也使地表位移、深層水平位移有減小趨勢，但樁身最大彎矩略微增加。由此可見，在滿足基坑開挖的常規空間需求基礎上，中間支撐適當下移對減小基坑變形以及平衡支撐力有一定的作用，但會增加樁身受力。

2.2支撐水平間距

支撐水平間距的大小既關系到材料成本與施工便利性，又涉及支護結構安全，往往是支護方案考慮的重要因素。以支撐豎向布置方案C為基礎，取支撐水平間距L=3～10 m分別進行計算，整理得到支護樁水平位移如圖3所示。

由圖3可見，支護樁的水平位移隨樁體深度增加逐步增大，至基坑底面-15 m處達到最大值，之后逐步減小至樁端處18 mm左右。當支撐水平間距L由3 m增大至10 m時，樁身最大水平位移由19.5 mm逐步增大至23 mm，L=3 m與L=10 m時的最大樁身水平位移相差18%，樁頂和樁端位置的水平位移幾乎不受支撐水平間距變化的影響。根據計算結果，從便于土方開挖及支護結構安全角度考慮，取支撐水平間距4 m即可將樁身水平位移控制在20 mm以內，支撐間距過大對支護結構位移控制不利。

2.3支撐剛度

本基坑采用鋼管支撐，其剛度與截面尺寸、長度、彈性模量有關。對于地鐵基坑，鋼支撐的長度、彈性模量相對固定，因此，支撐剛度的變化通過對支撐截面面積進行調整來實現。取φ609（δ=16 mm）鋼支撐截面面積為A0，定義A=kA0，以支撐方案C為基礎，利用不同剛度系數k實現支撐剛度的變化，分析對支護體系受力與變形的影響。

圖4為不同支撐剛度下支護樁水平位移變化情況，可以看出，隨著支撐剛度增加，樁身最大水平位移有逐步減小的趨勢，但其減小的幅度在k=1.0后變緩。k=1.0與k=2.0情況下最大樁身水平位移差值僅1 mm左右，k=0.3與k=1.0情況下最大樁身水平位移差值接近20%。圖5為不同剛度下支撐軸力變化規律，隨著剛度增加，不同位置支撐的軸力變化趨勢不同，第1道支撐軸力隨剛度增加逐步變小，第2道支撐軸力先變大后變小，第1、2道支撐的總體變化幅度并不顯著，第3道支撐力隨剛度增加有明顯增大趨勢。

以上分析表明，支撐剛度增加后雖然對樁體位移有一定的限制作用，但效果會逐步減弱。剛度的提高需增加材料用量，造成成本上升而且會引起支撐力差異較大，不利于支撐體系的設計。

2.4支護樁樁徑

支護樁的直徑是涉及支護體系成本和安全的關鍵因素，一般而言，樁徑越大支護能力越強，但是成本越高，實際工程中為偏于安全往往設計較為保守，使得樁徑成為設計優化的重要參數。為考慮樁徑對支護效果的影響，分別在0.4～1.8 m間選擇不同樁徑，凈間距取0.5 m，采用方案C的支撐布置，建立支護結構計算模型。

圖6為不同樁徑下樁體水平位移變化曲線，可以看出，總體上隨著樁徑增大，樁側水平位移逐步減小。樁徑小于0.8 m后，在-15 m基坑底部處，樁側水平位移超過24 mm；樁徑0.8 m與1.0 m的最大側向位移在20 mm左右，兩者差值小于2 mm；1.0 m以上樁徑的最大側向位移18.6 mm，但樁端位置位移仍處于較高值。以上分析表明，針對本工程情況，支護樁徑小于0.8 m會導致側向位移較大，使支護結構偏于不安全，不建議使用；支護樁徑大于1.0 m，雖然坑底處側向位移最大值較小，但樁徑進一步增大對側向位移改善不明顯，樁端位置處的側向位移還有逐漸增大的趨勢，且樁徑過大造成成本增加與施工不便。

圖7為不同樁徑下地表豎向位移，總體上距離基坑邊緣越近地表沉降越小，至基坑邊緣12 m左右達到最高值28 mm以上，遠離基坑邊緣穩定在26 mm左右。樁徑0.4 m和1.8 m條件下地表最大位移均超過30 mm；樁徑0.6～1.5 m范圍內，0.8 m和1.0 m樁徑時地表最大位移相對較小，與其他樁徑條件下相差不大。

因此，在規范允許的樁側變形量基礎上考慮適當的安全余量，結合地表最大沉降發展規律，支護樁直徑適宜選擇0.8～1.0 m。

3方案優化設計

基于以上分析，對原支護方案C進行調整形成方案D：支護樁樁徑0.8 m，鋼支撐采用φ609（δ=12 mm），支撐水平間距及支撐位置不變。圖8是兩種方案下支撐力隨工況變化情況，可以看出，調整后第1、3道支撐的受力變化不大，第2道支撐力在工況6時較原方案有顯著降低趨勢。圖9為兩種方案下樁體水平位移隨深度變化規律，由于減小了樁徑，方案D的樁身位移大于方案C，但最大位移相差1 mm左右，差異不明顯。

兩種方案下的樁身彎矩如圖10所示，兩者最大彎矩均位于基坑底面處，方案D的最大彎矩低于方案C 100 kN·m，其余位置相差不大。同時，根據計算結果可知，方案D的最大豎向位移為29.4 mm，略高于方案C的29.3 mm。

由以上分析可知，對于原方案C，通過適當減小樁徑，減少支撐截面的調整后，雖然地表位移與樁身水平位移有小幅度增加，但仍處于規范允許范圍。調整后支撐力與樁身彎矩進一步降低，支護體系內力趨于平緩。

4結論

對蘇州地鐵車站基坑工程開展設計參數研究，分析了內撐式支護體系支撐位置、水平間距、剛度、支護樁徑等因素對支護效果的影響規律。結果表明，支護結構最大變形位于基坑底部位置，相同情況下中部支撐適當下移有利于基坑變形控制；支撐水平間距越大，剛度越小則支護結構的水平位移越大，剛度越大則支撐受力差異越大；支護樁直徑越大，樁的水平位移越小，對于本工程，樁徑取0.8～1.0 m能使地表豎向位移得到較好控制。基于研究結論，對原支護方案進行了調整優化，在滿足基坑與支護結構變形要求前提下，適當減小樁徑與支撐剛度能取得一定的經濟效果。

參考文獻

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（編輯姚鑫編輯）

Analysis of factors influencing the optimization design of inner supported subway foundation pit support structure

Wang "Shuqi， Feng "Wei， Ma "Yuxuan， Yin "Yong

（School of Civil Engineering， Yancheng Institute of Technology， Yancheng 224051， China）

Abstract： The article takes the foundation pit enclosure project of a certain station on Suzhou Metro Line 4 as an example， establishes a numerical model， and analyzes the influence of key design parameters such as vertical support layout， horizontal spacing， stiffness， and support pile diameter on the internal force， deformation， and surface displacement of the support system in the internal support type foundation pit support structure system. The results show that the arrangement of intermediate supports close to the bottom of the pit is beneficial for controlling the deformation of the foundation pit， and the horizontal spacing of the supports should be suitable for construction at a distance of 4 m. The greater the support stiffness， the more significant the difference in support axial force. The diameter of the support pile is 0.8-1.0 m， which can effectively control the vertical displacement of the ground surface. Based on the research results， corresponding optimization and adjustment plans for the support system have been proposed. While meeting safety requirements， the design parameters can be adjusted appropriately to make the design of subway foundation pit engineering more economical and reasonable.

Key words： subway station foundation pit; supporting structure; design parameter; numerical analysis

基金項目：江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃基金項目；項目編號：202310305108Y。

作者簡介：王書琪（2002—），女，本科生；研究方向：城市地下空間工程。

*通信作者：殷勇（1980—），男，講師，博士；研究方向：巖土工程。