南京地铁建设有限责任公司 江苏南京 210008
摘要：以某地铁车站超深基坑工程为研究背景，从结构力学的角度对支护结构进行力学分析，并运用有限差分软件FLAC 3D 5.0建立三维数值分析模型，模拟超深基坑开挖支护的全过程，考虑了流固耦合效应。结果表明：地下连续墙墙体侧向位移变化曲线呈“大肚形”，属于抛物线型和悬臂型的组合型位移模式，开挖至坑底时，墙体深度-26m处，墙体侧向位移累计变形量有最大值-24.95mm；地下连续墙墙顶竖向位移变化曲线呈“勺形”，开挖至坑底时，墙顶出现最大沉降量-1.96mm。
关键词：地铁车站；超深基坑开挖支护；围护结构变形；结构力学分析；数值模拟
1.引言
随着我国城市化和城镇化进程的加快，人们对交通出行的需求量不断增加，为了减缓交通压力，地铁建设逐渐被推进，地下空间不断地被开发与利用，因此，城市中的深基坑工程日益增多[1]。而随着城市建设用地的日益紧张，这些深基坑工程大多邻近已有建筑物，深基坑周边环境复杂，这给深基坑工程结构的施工增加了一定的难度[2-3]。深基坑工程结构施工过程中，必然会对周围已有建筑物变形产生不利影响[4]，同时也会对已有基坑围护结构产生不良影响。因此，深基坑工程施工过程中，不仅要确保基坑工程施工安全，还要尽可能降低深基坑工程施工对周围地层产生的扰动[5]。
国内外已经有大量学者对基坑围护结构的变形进行了研究。贾彩虹等[6]以苏州市区中心地铁超宽超深基坑工程为背景，利用监测手段对支护结构的水平变形、支撑轴力、基坑周围地表沉降、地下水位等变化规律进行了研究；许明中等[7]以兰州轨道交通1号线地铁超深基坑工程为例，总结了砂卵石地层超深基坑降水技术，并分析了基底注浆加固、竖向隔水结构等因素对基坑降水效果的影响；周惠涛[8]以上海市某轨道交通车站超深基坑为依托工程，通过采取多种措施对基坑变形控制进行研究；梅源等[9]以西安地铁车站深基坑工程为例，针对湿陷性黄土地区，总结了工程施工过程中坑外地表变形特征以及围护桩侧向位移的变化规律；张德富等[10]以苏州地铁1号线车站深基坑为工程背景，通过收集统计大量的监测数据，分析并总结了地下连续墙侧向位移、地表沉降的变形规律。房师军等[11]以某地铁车站明挖深基坑为依托工程，利用数值模拟与监控量测相结合的手段，对基坑施工各阶段围护桩结构的变形规律进行研究。但是目前缺乏湖相软土地区超深基坑围护结构变形的研究。
本文以软土地层某地铁车站超深基坑工程为研究对象，运用FLAC 3D 5.0软件，模拟超深基坑开挖支护过程，考虑了流固耦合效应，分析围护结构的变形规律。
2 工程概况
某地铁车站（东西方向）车站基坑开挖29m，车站主体结构采用地下连续墙围护结构，墙体厚度1200mm，深度51m，车站平面图见下图1。
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图1 车站平面图
根据勘探深度范围内揭露的各土层特征，车站站台中心处基坑坑底位于⑥2层粉质粘土中，施工场地开挖地层由上往下依次为：①1杂填土层、②2粉质粘土层、③2粉质粘土层、③3粉土层、④2粉砂夹粉土层、⑤1粉质粘土层、⑤1A粉土夹粉质粘土层、⑥1粘土层、⑥2粉质粘土层、⑦2粉砂夹粉土层、⑦3粉质粘土层，地连墙墙趾位于⑦3粉质粘土层中。地质示意图见下图2。
其中，③3粉土、④2粉砂夹粉土、⑤1A粉土夹粉质粘土微承压水层富含地下水，渗透性较强，且对构件具有微腐蚀性，基坑开挖期间需提前降水并保持基坑干燥，以保证富水软土地层基坑开挖能够安全进行。
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图2 地质示意图
3 结构力学分析
3.1 超深基坑工程结构
车站一区标准段超深基坑围护结构横剖面图见下图3。
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图3 一区标准段超深基坑围护结构横剖面图（单位：mm）
3.2 超深基坑支护结构受力特征分析
3.2.1地下连续墙
地下连续墙深度达到了51m，是超深基坑工程的主要受力结构，属于刚性结构，刚度大，整体性好，具有抗渗性和耐久性，同时，地下连续墙也是受弯构件，主要承受了来自地面的荷载，周围水土体压力，以及支撑反力。工程施工过程中，随着基坑的开挖支护，坑内土体的卸荷，以及内支撑的顶托作用，地下连续墙墙体必然会产生弯矩变形，从结构力学的角度分析，地下连续墙墙体有向坑外变形的趋势，地下连续墙弯矩示意图如下图4所示。由图4可知，最不利位置为第八道支撑高度处，该位置处墙体产生的弯矩变形最大，后面章节数值模拟计算和现场监测时应重点分析该断面处墙体的侧向变形。
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图4 地下连续墙弯矩示意图
3.2.2内支撑
超深基坑工程一共设置了八道内支撑，包括三道混凝土支撑和五道钢支撑，内支撑也是基坑工程中比较重要的受力结构，从结构力学的角度进行分析，内支撑主要受到了轴向作用力，发生了轴向变形，内支撑受力示意图如下图5所示，后面章节数值模拟计算和现场监测时应重点分析内支撑的轴向力。根据3.1章节可知，第一道混凝土支撑端部设置了项圈梁，第四、六道混凝土支撑端部设置了砼围檩，第二、三、五、七、八道钢支撑端部均设置了钢围檩，内支撑端部设置围檩有利于地下连续墙、腰梁、内支撑三者结合更加紧密，从而对地表沉降变形和地下连续墙墙体的侧向位移起到了一定的抑制作用。
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图5 内支撑轴力示意图
3.2.3立柱桩
车站超深基坑的跨度比较大，为了确保基坑工程结构的稳定，跨度中间就会设置立柱桩，直径为800mm，有效桩长为28m。立柱桩主要是用来保持地下连续墙和内支撑支撑体系的平衡，它在基坑工程施工过程中起到支承基坑支撑体系的作用。从结构力学的角度分析，立柱桩桩底固定，桩顶属于自由端，相当于悬臂梁结构，主要产生弯矩变形，立柱桩弯矩示意图如下图6所示。
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图6 立柱桩弯矩示意图
4 数值模拟
4.1 计算模型的确定
选取的基坑尺寸为：一区标准段长度为75m，宽度为24m，开挖深度为29m。结合参考文献：[12-13]的研究成果及现场实际情况，计算模型尺寸取为：150m（长）×90m（宽）×51m（高）。
建立模型过程中，首先定义坐标轴的方向：沿着基坑宽度、长度的方向分别设为x轴、y轴，沿着基坑高度的方向设为z轴。位移边界条件考虑了流固耦合效应，模型左右两侧约束x方向位移，模型底面约束x、y、z方向位移，约束模型所有节点y方向的位移，顶面为自由面。基坑开挖前孔隙水压力为静水压力，渗流模式下，侧面及底部为不透水边界，固定基坑和底面土层间孔隙水压力为0。
4.2 数值计算参数
根据车站超深基坑勘察报告，结合计算模型的深度尺寸，土层计算模型一共划分了10个土层，各土层具体计算参数见下表1。
表1 劳动路土层主要物理力学指标
数值计算时，岩土体的力学模型均采用Mohr-Coulomb本构模型，基坑开挖采用Null模型，地下连续墙、冠梁和第一、四、六混凝土支撑采用各向同性的线弹性模型，均采用C30混凝土，其物理力学参数为：弹性模量均为30GPa，容重为25KN/m3，泊松比均为0.2；第二、三、五、七、八道钢支撑采用beam结构单元，其物理力学参数为：弹性模量均为210GPa，容重为78.5KN/m3，泊松比均为0.30。
4.3 数值模拟工况设置
模拟计算过程中，基坑开挖之前需要设置重力，并将初始速度、初始位移以及塑性区设置为0。基坑边开挖边支护，整个开挖支护过程分为八个工况，具体见下表2。其中，将地面标高记为0m。
表2 模拟计算工况表
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4.4 模拟结果分析
4.4.1 地连墙墙体水平位移
选取墙体侧向位移记录点CX2、CX3、CX4、CX5、CX6、CX20、CX21、CX22、CX23为研究对象，分析超深基坑在不同开挖支护条件下，墙体侧向位移随着墙体深度的变化规律，分别如下图7～图12所示。
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图7孔CX2墙体侧向位移 图8 CX4墙体侧向位移
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图9孔CX6墙体侧向位移 图10孔CX21墙体侧向位移
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图11孔CX22墙体侧向位移 图12孔CX23墙体侧向位移
分别图7～图12可知，超深基坑工程开挖支护过程中，南北两侧地下连续墙墙体侧向位移均为负值，属于坑外变形，基坑有向坑外变形的趋势。随着地连墙墙体深度的增加，记录点CX2、CX4、CX6、CX21、CX22、CX23墙体侧向位移变形曲线呈“大肚形”，属于抛物线型和悬臂型的组合型位移模式，基坑刚开挖时墙体侧向位移有一个初始值，基坑开挖初期快速增长，墙体侧向位移增长到最大值后，先以较大的速率减小，而后缓慢减小，墙趾处侧向位移趋近于零。在架设内支撑的位置处，墙体侧向位移会有所减小，这是由于内支撑对土体存在着约束作用。同一记录点在不同施工工况条件下，墙体侧向位移最大值出现在不同的墙体深度处。
基坑在不同开挖深度处，测斜孔CX2、CX4、CX6、CX21、CX22、CX23墙体侧向位移最大值见下表3。分析表3数据可知，基坑开挖至坑底时，各记录点在墙体深度-26m处，侧向位移有最大值，分别为-22.84mm、-23.64mm、-21.94mm、-23.04mm、-24.95mm、-24.16mm，均在±30mm允许范围之内，但基坑开挖至坑底时，墙体侧向位移累计变形量比较接近±30mm，需要采取一定的控制措施。
表3 不同开挖深度处各测斜孔墙体侧向位移累积变化量最大值
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4.4.2地连墙墙顶竖向位移
选取墙顶竖向位移记录点ZQ2、ZQ3、ZQ4、ZQ5、ZQ6、ZQ20、ZQ21为研究对象，记录超深基坑在不同的开挖深度下墙顶竖向位移，分析其变化规律，如下图13所示。
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图13 地下连续墙墙顶竖向位移变化曲线图
分析图13可知，超深基坑工程施工过程中，地下连续墙南北两侧墙顶竖直位移几乎均为负值，属于沉降变形。记录点ZQ2、ZQ3、ZQ4、ZQ5、ZQ6、ZQ20、ZQ21地连墙墙顶位移变化曲线呈“勺形”，变化趋势大致相同。基坑刚开挖时，墙顶竖向位移值较大，冠梁施工和施加第一道混凝土支撑后，墙顶竖向位移有所减小；基坑开挖深度为-6m时，墙顶竖向位移值达到最小值；随着基坑的进一步开挖，墙顶竖向位移值以较大速度增大，增大到一定沉降量时缓慢增长，最后趋于稳定。基坑开挖到基坑底部时，墙顶沉降量最大，记录点ZQ2、ZQ3、ZQ4、ZQ5、ZQ6、ZQ20、ZQ21墙顶沉降量最大值分别为-1.96mm、-1.76mm、-1.74mm、-1.70mm、-1.58mm、-1.80mm、-1.73mm，均在墙顶竖向位移变化规定的±2mm范围内，但是记录点ZQ6、ZQ20部分的地连墙墙顶沉降量比较接近报警值，为了保证地连墙的安全施工，需要采取有效措施进行控制，防止地连墙墙顶产生进一步的沉降变形，导致地连墙受到破坏。
5 结论
（1）墙体水平位移模拟计算曲线总体呈“大肚形”，属于抛物线型和悬臂型的组合型位移模式。同一工况随着墙体深度的增加，墙体水平位移先增加后减小，在设置有内支撑位置处墙体水平位移有所减小；基坑开挖至坑底时，墙体深度为-26m处，各记录点墙体侧向位移出现最大值-22.84mm、-23.64mm、-21.94mm、-23.04mm、-24.95mm、-24.16mm，在变形控制标准±30mm范围内。
（2）地下连续墙墙顶竖向位移曲线总体呈“勺形”。根据模拟计算结果，基坑开挖至基坑底部时，各记录点墙顶竖向位移最大值分别为-1.96mm、-1.76mm、-1.74mm、-1.70mm、-1.58mm、-1.80mm、-1.73mm接近变形控制标准±2mm，实际施工过程中应加强监测，动态掌握墙顶位移的动态变化。
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