地铁车站深基坑开挖监测与数值分析

摘 要:研究目的:在地下工程建设过程中，地铁车站作为重要的地下建筑公共设施，其安全性和稳定性显得尤为重要。本文通过研究某地铁车站深基坑开挖过程，对土体和支护的变形与稳定性展开研究，为今后的地铁车站建设提供借鉴和参考。

         研究结论:通过综合分析评价，我们得出深基坑开挖过程中土体及支护的变化规律: 入土较深的围护墙体水平位移自下而上程递增趋势增长; 支撑轴力随开挖过程有较明显的变化，并最终趋于稳定。通过模拟对比发现，基坑的第一道支撑使用钢筋混凝土支撑较为合理，对支撑施加预应力能够有效地抑制地连墙和土体的侧向位移。

关键词:深基坑; 支护变形; 地下连续墙; 有限元

 

      地铁车站深基坑工程作为一项复杂的综合性岩土工程，在施工过程中基坑内外土体应力状态的改变将会引起土体的变形，深基坑监测不仅可以保证基坑支护和相邻建筑物的安全，验证支护结构设计，还可以指导基坑开挖和围护结构的信息化施工，为完善设计分析提供必要的依据。本文结合某地铁车站深基坑工程具体情况，通过有限元程序与深基坑分析软件对地铁车站深基坑进行了模拟计算^{［1 －2］}，以及对现场监测结果的分析来研究地铁车站深基坑在开挖过程中土体与支护结构的变形规律。

 

      某地铁车站为标准地下两层车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，总长 183 m，站台为地下两层岛式站台，主体建筑面积为 10 191． 1 m²，出入口通道、风道建筑面积 3 272． 2 m²，车站主体建筑面积13 463． 3 m²。标准段外包宽 30． 5 m，主体结构顶板覆土厚度 2． 42 ～5． 26 m 左右，底板埋 20． 5 m( 有效站台中心处) ，基坑底位于粉砂层和粉细砂层上，潜水水位在地面以下 0． 5 ～2． 0 m。

      车站主体结构采用明挖法施工，在大道段采用盖挖顺作法施工。车站主体设有全外包防水层，沿车站长度方向依次分别开挖施工。车站主体结构采用钢筋混凝土箱型结构，围护结构采用地下连续墙加内支撑，围护结构与主体结构采用复合墙的连接方式。

 

      由于地铁深基坑的实际施工过程较为复杂，在使用有限元和相关软件分析的过程中一般需将土体按弹性或弹塑性材料进行分析，为此做出如下假设: ( 1) 将岩土体视为连续、均匀、各向同性介质，采用 D － P 屈服准则; ( 2) 仅考虑土体自重应力的影响。

      地下连续墙及冠梁采用 C30 混凝土，弹性模量 E取为 30 GPa，泊松比 μ 取 0． 20，容重 25 kN/m³。钢支撑直径为609 mm，壁厚14 mm，采用 Q235 － B 材料，弹性模量 E 取 200 GPa，泊松比 μ 取 0． 26。各层土物理力学参数如表 1 所示。

      本次涉及基坑开挖模拟的施工过程为: 基坑开挖初期，需等到地下连续墙和冠梁及其上部的挡土墙达到设计强度后才能进行开挖，基坑开挖至第一次开挖面，设置支撑并施加预加力，这样依次开挖土体至基底。

      根据车站基坑的基本情况建立二维有限元模型^{［10 －11］}，根据现场勘测结果，将基坑所在地区的土层大致分为八层。模型左右两侧边界施加法向约束，限制边界的水平位移; 下侧边界也施加法向约束，限制边界的竖向位移，本文选取 95 m ×52 m( 宽 × 高) 的区域建立计算模型，模型共划分了 392 个单元，3 545 个节点。有限元网格划分模型如图 1 所示。

      由于地下连续墙和钢支撑为主要的支护方式，限于篇幅的限制，本文主要就地下连续墙的墙体变形和支撑轴力的变化做出分析评价。借助有限元软件PLAXIS 并结合理正深基坑设计软件对于基坑开挖过程进行模拟，得到墙体的位移及内力变化及相应位置上支撑对于墙体和土体的影响。

2． 4． 1 对地下连续墙的水平位移进行模拟，主要模拟了开挖的四个工况，包括了四道支撑的安装过程，墙体水平位移的变化趋势，计算成果如图 2 和图 3 所示可知墙体位移随埋深的增大而减少，设置内支撑对土体的变形有很好的抑制作用，数值模拟墙体的变化规律同实测数值基本吻合。

2． 4． 2 就支撑材料和预应力两方面来分析对墙体和土体的影响，把支撑分为未施加预应力与施加预应力两种情况来做比较。从图 4 中可以看出当对支撑预加轴力时，墙体位移变化速率明显减缓，位移也相对减小，同时墙体所受负弯矩减小，可见预应力对于抵抗土体和墙体的变形和减小被动土压力起到一定的作用，所以在深基坑开挖过程中，对支撑施加预应力，特别是软土地区，可以有效的降低土体开挖对基坑稳定性带来的不利影响。

      该基坑在盖挖段使用钢筋混凝土支撑作为第一道支撑，现用钢支撑代替混凝土支撑来模拟，得到其对墙体的影响和变化规律。

 

      从图 5 可以看到，使用钢支撑后，墙体位移变化较大，相对弯矩也较大，可见在使用支撑来确保基坑稳定时，并非刚度越大的支撑就越好，而且在施加预应力的时候，也并非越大越好，而需要根据安装支撑所在位置土体在开挖过程中的受力情况而定。第一道支撑使用钢筋混凝土支撑对基坑初期开挖较为有利，符合设计要求。

 

      基坑在开挖施工过程中要求对支撑预加轴力，第一、二道支撑预加轴力为计算轴力 30% ～50%，第三、四道支撑预加轴力为计计算轴力 50% 左右，为控制墙体水平位移，钢支撑必须有重复预加轴力的装置，下道支撑安装后需对其上所有支撑调整预加轴力。

      根据开挖顺序可知，在设置钢支撑时要施加预加轴力，随着土方的开挖，土体卸载，被动土压力减小，导致墙体水平位移有向基坑内侧发展的趋势，钢支撑预加轴力与其抵消一部分，轴力相对逐渐增大，待开挖完成后，支撑轴力趋于稳定。在支撑拆除阶段，未拆除支撑轴力变化明显，测点在支护拆除阶段也有明显的增长。因此需在支撑拆除阶段，对其他相应支撑再复加预加轴力，以减小支撑拆除给整个基坑的稳定性带来的不利影响。

      从分析结果表明，基坑在每层开挖完成以及支撑拆除的两个阶段，相应位置的支撑轴力波动较大，对基坑稳定性的影响较大，故需采取相应的措施，如在相应时段对支撑施加预加轴力，相关轴力计部分测点变化趋势如图6 所示，图中3 －28^#测点安装时间较短，变化起伏较大，而其它支撑测点已处于稳定阶段。

      盖挖段支撑采用钢筋混凝土支撑，属于最先设置的支撑，根据监测数据可知，在基坑尚未开挖之前，混凝土的徐变收缩就已经影响钢筋混凝土支撑的轴力发生变化，随着土体开挖深度增大，周围土体不断卸载，外加土体对支撑产生被动土压力，使得混凝土支撑受压，轴力随土体的开挖不断增大，待开挖至基坑底部，轴力逐渐趋于稳定，并随着时间增长有所下降，最后趋于平稳。

      ZC － 19、ZC － 14 是相对离上部轻轨比较近的测点，前方有一段军用梁桥。上方即为交通繁忙的公路，所以当土体开挖到此段时，对周围结构建筑及土体影响较大，如图 7 所示 ZC －19、ZC －14 测点的轴力变化值相对起伏较大。待土体开挖和下方钢支撑陆续设置完成后，该段支撑的状态就趋于稳定，轴力也趋于平缓。

 

      地下连续墙作为基坑支护中的重要部分，一方面在基坑开挖时约束了土体的变形，另一方面，对于地下水有一定的防渗作用，由于地铁车站地下连续墙属于较早完成的支护结构，从图 8 可以看出，地下连续墙在基坑开挖初期位移较小，随着土体不断向深层开挖，其位移也逐渐增大，同时土体埋深越大其变化就相对较小，这与土体开挖时的受力和该层土体性质有关。所以当基坑开挖越深，上方墙体的位移变化也越大，但随着开挖完成及相应的支撑的抑制作用，墙体最终会达到稳定状态，同时墙体位移形式也完全符合墙体入土较深的位移模式。

      ( 1) 在基坑开挖初期阶段，钢支撑轴力增长迅速，随着土体开挖完成，钢支撑的轴力将趋于稳定; 相对混凝土支撑来说，而对钢筋混凝土在开挖初期支撑的轴力呈二次曲线增长，待其增长到一定阶段后，轴力才趋于稳定;

      ( 2) 钢支撑在基坑开挖阶段，对于土体变形及整个基坑的稳定起到了显著作用，减缓了开挖后土体向墙内的移动。值得注意的是在钢支撑周围土体开挖及拆除支撑这两个阶段，钢支撑变化明显，且呈波动型变化，该状态对于基坑的稳定性影响较大，需要做出相应的预防措施，尽量避免开挖时土体处于无支撑状态;

      ( 3) 地下连续墙位移在开挖初期，墙体的水平位移会随基坑开挖深度的增加而增大，但整体变化不大，随着基坑开挖的深度不断增大，地下连续墙水平位移也相应增大，而且地下连续墙的水平位移也随墙体埋深的增加呈递减趋势，即墙体埋深越大其水平位移越小。而且墙体的埋深直接影响到其水平位移的形式。

      总之，深基坑监测作为基坑开挖工程中不可缺少的一项工作，不但可以及时反馈施工的质量，同时可以预见和指导施工中所遇到的问题，避免施工不当和其他因素造成的损失，是施工决策和信息化施工的重要保障。