地鐵車站深基坑支護結構穩定性分析與優化設計研究

0 引言

深基坑支護是保證地下工程施工安全的關鍵技術，其結構形式和設計參數直接影響工程質量和施工安全。以往的支護設計往往依賴經驗數據，缺乏系統的優化分析，難以實現安全性和經濟性的統一。

近年來，隨著城市地下工程的增加，深基坑工程規模不斷擴大，支護結構面臨更加復雜的地質條件和環境約束，基于經驗的設計方法已難以滿足工程建設需求。為此，需要深入研究支護結構穩定性機理，建立科學的優化設計方法，以提高支護結構設計水平，保障施工安全，降低工程造價。

1工程概況

位于某市中央商務區核心地段的地鐵車站為矩形設置、東西向貫通。其深基坑總長度為 185m ，寬度為23.6m，開挖深度為18.5m，總建筑面積約為 12600m² 。

該地鐵車站施工區域地質自上而下主要為：厚度為1.5＼～2.8m的素填土，厚度為 3.2～4.5m 的淤泥質粉質粘土層，厚度為 5.6～7.2m 的粉細砂層，厚度為 8.5～10.2m 的中粗砂層和砂巖層，地下水位埋深 3.2m 。

該地鐵車站工程周邊環境復雜，北側 12m 處為一棟25層框架結構辦公樓，南側8m為城市主干道，西側15m處有一條DN800給水管線，東側為在建地鐵區間隧道。因場地位于繁華的商圈，周邊建筑密集，對基坑變形控制要求嚴格，建筑物允許沉降值控制在 30mm 以內，道路及管線變形控制在 20mm 以內。

2深基坑支護結構穩定性分析

2.1 支護方案設計

基于該地鐵車站工程地質條件和周邊環境要求，其深基坑采用地下連續墻 + 內支撐體系的支護方案。地下連續墻厚度為 ，深度為 35m ，采用C35防水混凝土、HRB400熱軋帶肋鋼筋。內支撐體系采用四道鋼管支撐：第一道支撐采用2根 Φ609×16mm 鋼管，標高 -2.5m 。第二、三道支撐采用2根 Φ720×16mm 鋼管，標高分別為 -6.5m 和 -10.5m 。第四道支撐采用3根 Φ820×1 6mm鋼管，標高為 -14.5m 。支撐間距均為 4.0m ，縱向設置2根 Φ377×10mm 腹桿。

深基坑開挖采用臺階法，分為8個步驟進行，每次開挖深度控制在2.5m以內。支撐預加軸力按理論軸力的 50% 設計，通過千斤頂施加[1]。深基坑頂部設置（24號 1.0m×1.2m 現澆鋼筋混凝土冠梁，混凝土標號為C30。

支撐結構軸力設計值的計算公式如下：

N=γf（k₀hγd+q）LS

式中： N 為支撐結構軸力設計值， γf 為荷載分項系數， k₀ 為靜止土壓力系數， γ 為土體重度；h為計算深度，d 為影響寬度，為 q 地表荷載， L 為支撐跨度， s 為支撐間距。

2.2穩定性計算

研究團隊采用彈塑性有限元法進行支護結構整體穩定性驗算。地下連續墻抗彎驗算采用結構力學方法，將墻體簡化為豎向連續梁，支撐簡化為彈性支座。土體采用莫爾－庫侖本構模型，通過現場原位測試和室內試驗確定土體強度參數。深基坑整體穩定性采用Bishop法進行驗算，最不利工況下的深基坑穩定安全系數為1.35，滿足規范要求。

地下連續墻水平位移量通過曲線積分法計算，其計算公式如下：

式中： δ 為水平位移量， M 為彎矩，為 E 混凝土彈 性模量， I 為墻體截面慣性矩。計算結果表明，墻體最 大水平位移出現在開挖深度 13.2m 處，水平位移量計算 值為 38.6mm ，位移量在受控范圍之內。

2.3數值模擬分析

研究團隊采用PLAXIS3D軟件建立三維有限元模型，模型尺寸長 210m ，寬 100m ，深 60m 。土體采用HardeningSoil本構模型，能更好地模擬土體的應力-應變硬化特性。地下連續墻采用Plate單元，支撐采用節點到節點錨桿單元。網格劃分采用中等密度，關鍵部位局部加密。

模擬分析考慮到地下水的影響，采用疏水降水方案[2]。施工過程模擬分為：初始應力場生成、地下連續墻施工、第一道支撐及開挖、第二道支撐及開挖等8個步驟。土體-結構相互作用通過界面單元模擬，界面強度折減系數Rinter取值0.67。結構內力計算采用Mohr一Coulomb準則：

3深基坑支護結構優化設計研究

3.1 確定優化目標

研究團隊根據支護結構初步設計方案的穩定性分析結果，結合工程特點和環境要求，從安全性、環境影響和經濟性3個維度確定優化目標。在安全性方面，研究團隊針對前期分析發現的墻體水平位移接近控制標準和支撐軸力分布不均勻的問題，將墻體的最大變形控制值優化到30mm以內，支撐軸力利用率控制在 75% 以下，并要求相鄰支撐軸力差異不超過 15% 。在環境影響方面，研究團隊考慮到北側25層辦公樓和南側市政道路的安全，將地表最大沉降控制在 20mm 以內，沉降槽影響范圍控制在開挖深度的1.5倍以內，并對西側給水管線制定專門的變形控制措施。在經濟性方面，通過優化支護結構參數，改進施工工藝，設定工程總造價較原方案降低 15% 以上的目標，同時計劃縮短工期15d。深基坑支護優化目標如圖1所示。

安全性 環境影響 經濟性·墻體水平位移 ·地表沉降 ·工程造價降低≤30mm ≤20mm ≥15% ·支撐軸力利用率 ·沉降影響范圍 ·工期縮短≤75% ≤開挖深度的 ≥15d·相鄰支撐軸力差 1.5倍≤15%

τ_t=c+σtanφ

式中： τ_f 為極限剪應力， c 為粘聚力， σ 為法向應力，φ 為內摩擦角。模擬結果顯示支護結構各項指標均在控制范圍內。

2.4穩定性評價

基于計算分析和數值模擬結果，對支護結構穩定性進行綜合評價。墻體最大水平位移量為 38.6mm ，接近控制標準（ 40mm? ，變形曲線呈典型的鼓肚形。第四道支撐軸力達到 1856kN ，利用率為 85% ，高于其他支撐。地表最大沉降出現在距離深基坑邊緣6.5m處，沉降值為28.5mm ，沉降槽影響范圍約為開挖深度的2倍。

通過深基坑整體穩定性驗算，最危險滑動面通過第三道支撐位置，穩定安全系數為1.35。支護結構整體穩定性滿足規范要求，但局部存在優化空間，主要表現在：支撐軸力分布不均勻，墻體變形接近控制值，地表沉降影響范圍較大[3]。

深基坑變形預測采用灰色預測模型，具體公式如下：

式中： X（1）（k+1） 為預測值， X（0） （1）為初始值，a為發展系數， b 為灰作用量。預測結果表明深基坑變形發展趨勢總體可控。

3.2制定優化方案

3.2.1優化地下連續墻結構參數

針對地下連續墻原方案存在的變形量過大問題，研究團隊對結構參數進行了系統優化。將地下連續墻厚度由1m增加至 1.2m ，以提高抗彎剛度。將墻體入巖深度由原來的1m增加至 2m ，以提高嵌固效果。考慮到第四道支撐處應力集中現象，將此處地下連續墻配筋率由原方案的 0.8% 提升至 1.2% ，主筋直徑由 28mm 加大到32mm ，間距由 200mm 調整為 150mm 。

將冠梁斷面尺寸優化為 1.2m×1.5m ，以增大橫向剛度，從而滿足大直徑支撐管安裝要求[4]。為改善止水效果，將地下連續墻混凝土標號由C35提高到C40，將防水劑摻量增加至 1.2% 。地下連續墻結構優化后，通過FLAC3D軟件驗證，地下連續墻最大水平位移從原方案的38.6mm降低到31.5mm，止水效果提升了 30% 。

3.2.2優化支撐體系

根據數值分析結果，需重點優化支撐體系。將第一道支撐位置上調0.5m，標高由 -2.5m 調整至 -2m ，并將支撐斷面由2根 Φ609×16mm 調整為2根 Φ720× 16mm鋼管，以適應上部土層較大側壓力。第二、三道支撐間距由原方案的 4m 優化為 3.5m ，支撐規格維持2根Φ720×16mm 不變，但增設一道 Φ377×10mm 斜撐加強。第四道支撐處設置3根 Φ820×16mm 鋼管，間距從 4m 減小到 3.2m ，并在支撐端部設置 0.6m×0.8m 的分散力墩，以有效改善其應力集中現象。

將縱向腹桿由原方案2根 Φ377×10mm 增加至3根，間距調整為 3m 。支撐體系根據土壓力分布規律優化后，第一道支撐預加軸力為設計軸力的 60% ，二、三道為55% ，第四道為 50% ，實現了支撐軸力的均勻分布。支撐體系優化示意如圖2所示。

3.2.3 優化施工工序

針對原施工方案中存在的工序銜接不緊湊問題進行優化。將基坑開挖由原來的8個步驟優化為6個步驟，每步開挖深度仍控制在2.5m以內，但采用交錯式開挖方式，將基坑縱向劃分為5個區段，相鄰區段高差控制在2.5m^[5] 。支撐安裝采用流水作業方式，配備3個施工班組，實現24h連續施工。

地下連續墻成槽采用兩臺成槽機同時作業，成槽段落長度由6m調整為 8m ，同時優化泥漿配比，提高槽壁穩定性。混凝土灌注改用2臺混凝土泵車同時作業，單幅墻體連續澆筑時間由8h縮短至 6h 。針對可能出現的突涌情況，在第一道支撐施工時增設臨時鋼管支撐，并優化了降水方案，采用三級降水井，加快降水速度。

3.3優化效果分析

3.3.1使支護結構性能得到改善

通過優化地下連續墻結構參數、優化支撐體系和優化施工工序，支護結構的整體性能得到顯著提升。優化后的支護結構位移得到有效控制，其中墻體最大水平位移由原方案的 38.6mm 降至 31.5mm ，降幅達18.4%。地表最大沉降從28.5mm減小到 20.8mm ，降幅為 27.0% 。支撐體系受力更加均勻，第四道支撐最大軸力從1856kN降至1628kN，降幅為 12.3% 。止水效果明顯改善，基坑涌水量減少 35% ，為確保基坑施工安全提供有力保障。支護結構優化前后性能對比如表1所示。

3.3.2縮短了施工工期

通過優化施工方案，調整施工工序、優化機械設備配置，縮短了施工工期。將開挖步序由8步優化為6步，采用分段交錯開挖模式，各區段高差控制在2.5m內。按照開挖深度將基坑分為5個區段交錯開挖，避免機械設備閑置。將施工班組由2個增加至3個，實現24h連續作業。增加成槽機至2臺，使地下連續墻施工效率提高28% 。采用專用吊裝設備，使支撐安裝速度提升 35% 。優化運輸路線，使深基坑開挖效率增加 25% 。

施工總工期從180d縮短到165d。其中地下連續墻通過優化泥漿制備和鋼筋籠預制，施工工期縮短了6d。支撐體系采用預制拼裝和機械化安裝，施工工期縮短了5d。深基坑采用大型機械設備開挖，施工工期縮短了4d。通過精細化管理，制定專項施工方案和應急預案，提高了施工質量，降低了施工風險。

4結論

基于深基坑支護結構穩定性分析和優化設計研究，研究團隊得出如下主要結論：

采用地下連續墻加內支撐的支護體系，通過結構參數優化、支撐體系調整和施工工序改進，實現了支護結構安全性、環境影響和經濟性的綜合優化。支護結構性能方面，優化后墻體最大水平位移由38.6mm降至31.5mm ，降低了 18.5% 。地表最大沉降由28.5mm減至20.8mm ，減少了 27.0% 。支撐軸力分布更加均勻，第四道支撐最大軸力由1856kN降至1628kN，降低了 12.3% 。工期方面，通過優化施工工藝，實現工期壓縮15d。

參考文獻

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