摘 要:研究目的:在地下工程建設過程中，地鐵車站作為重要的地下建筑公共設施，其安全性和穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文通過研究某地鐵車站深基坑開挖過程，對土體和支護的變形與穩(wěn)定性展開研究，為今后的地鐵車站建設提供借鑒和參考。

         研究結論:通過綜合分析評價，我們得出深基坑開挖過程中土體及支護的變化規(guī)律: 入土較深的圍護墻體水平位移自下而上程遞增趨勢增長; 支撐軸力隨開挖過程有較明顯的變化，并最終趨于穩(wěn)定。通過模擬對比發(fā)現(xiàn)，基坑的第一道支撐使用鋼筋混凝土支撐較為合理，對支撐施加預應力能夠有效地抑制地連墻和土體的側向位移。

關鍵詞:深基坑; 支護變形; 地下連續(xù)墻; 有限元

 

      地鐵車站深基坑工程作為一項復雜的綜合性巖土工程，在施工過程中基坑內(nèi)外土體應力狀態(tài)的改變將會引起土體的變形，深基坑監(jiān)測不僅可以保證基坑支護和相鄰建筑物的安全，驗證支護結構設計，還可以指導基坑開挖和圍護結構的信息化施工，為完善設計分析提供必要的依據(jù)。本文結合某地鐵車站深基坑工程具體情況，通過有限元程序與深基坑分析軟件對地鐵車站深基坑進行了模擬計算^{［1 －2］}，以及對現(xiàn)場監(jiān)測結果的分析來研究地鐵車站深基坑在開挖過程中土體與支護結構的變形規(guī)律。

 

      某地鐵車站為標準地下兩層車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，總長 183 m，站臺為地下兩層島式站臺，主體建筑面積為 10 191． 1 m²，出入口通道、風道建筑面積 3 272． 2 m²，車站主體建筑面積13 463． 3 m²。標準段外包寬 30． 5 m，主體結構頂板覆土厚度 2． 42 ～5． 26 m 左右，底板埋 20． 5 m( 有效站臺中心處) ，基坑底位于粉砂層和粉細砂層上，潛水水位在地面以下 0． 5 ～2． 0 m。

      車站主體結構采用明挖法施工，在大道段采用蓋挖順作法施工。車站主體設有全外包防水層，沿車站長度方向依次分別開挖施工。車站主體結構采用鋼筋混凝土箱型結構，圍護結構采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐，圍護結構與主體結構采用復合墻的連接方式。

 

      由于地鐵深基坑的實際施工過程較為復雜，在使用有限元和相關軟件分析的過程中一般需將土體按彈性或彈塑性材料進行分析，為此做出如下假設: ( 1) 將巖土體視為連續(xù)、均勻、各向同性介質(zhì)，采用 D － P 屈服準則; ( 2) 僅考慮土體自重應力的影響。

      地下連續(xù)墻及冠梁采用 C30 混凝土，彈性模量 E取為 30 GPa，泊松比 μ 取 0． 20，容重 25 kN/m³。鋼支撐直徑為609 mm，壁厚14 mm，采用 Q235 － B 材料，彈性模量 E 取 200 GPa，泊松比 μ 取 0． 26。各層土物理力學參數(shù)如表 1 所示。

      本次涉及基坑開挖模擬的施工過程為: 基坑開挖初期，需等到地下連續(xù)墻和冠梁及其上部的擋土墻達到設計強度后才能進行開挖，基坑開挖至第一次開挖面，設置支撐并施加預加力，這樣依次開挖土體至基底。

      根據(jù)車站基坑的基本情況建立二維有限元模型^{［10 －11］}，根據(jù)現(xiàn)場勘測結果，將基坑所在地區(qū)的土層大致分為八層。模型左右兩側邊界施加法向約束，限制邊界的水平位移; 下側邊界也施加法向約束，限制邊界的豎向位移，本文選取 95 m ×52 m( 寬 × 高) 的區(qū)域建立計算模型，模型共劃分了 392 個單元，3 545 個節(jié)點。有限元網(wǎng)格劃分模型如圖 1 所示。

      由于地下連續(xù)墻和鋼支撐為主要的支護方式，限于篇幅的限制，本文主要就地下連續(xù)墻的墻體變形和支撐軸力的變化做出分析評價。借助有限元軟件PLAXIS 并結合理正深基坑設計軟件對于基坑開挖過程進行模擬，得到墻體的位移及內(nèi)力變化及相應位置上支撐對于墻體和土體的影響。

2． 4． 1 對地下連續(xù)墻的水平位移進行模擬，主要模擬了開挖的四個工況，包括了四道支撐的安裝過程，墻體水平位移的變化趨勢，計算成果如圖 2 和圖 3 所示可知墻體位移隨埋深的增大而減少，設置內(nèi)支撐對土體的變形有很好的抑制作用，數(shù)值模擬墻體的變化規(guī)律同實測數(shù)值基本吻合。

2． 4． 2 就支撐材料和預應力兩方面來分析對墻體和土體的影響，把支撐分為未施加預應力與施加預應力兩種情況來做比較。從圖 4 中可以看出當對支撐預加軸力時，墻體位移變化速率明顯減緩，位移也相對減小，同時墻體所受負彎矩減小，可見預應力對于抵抗土體和墻體的變形和減小被動土壓力起到一定的作用，所以在深基坑開挖過程中，對支撐施加預應力，特別是軟土地區(qū)，可以有效的降低土體開挖對基坑穩(wěn)定性帶來的不利影響。

      該基坑在蓋挖段使用鋼筋混凝土支撐作為第一道支撐，現(xiàn)用鋼支撐代替混凝土支撐來模擬，得到其對墻體的影響和變化規(guī)律。

 

      從圖 5 可以看到，使用鋼支撐后，墻體位移變化較大，相對彎矩也較大，可見在使用支撐來確�；�坑穩(wěn)定時，并非剛度越大的支撐就越好，而且在施加預應力的時候，也并非越大越好，而需要根據(jù)安裝支撐所在位置土體在開挖過程中的受力情況而定。第一道支撐使用鋼筋混凝土支撐對基坑初期開挖較為有利，符合設計要求。

 

      基坑在開挖施工過程中要求對支撐預加軸力，第一、二道支撐預加軸力為計算軸力 30% ～50%，第三、四道支撐預加軸力為計計算軸力 50% 左右，為控制墻體水平位移，鋼支撐必須有重復預加軸力的裝置，下道支撐安裝后需對其上所有支撐調(diào)整預加軸力。

      根據(jù)開挖順序可知，在設置鋼支撐時要施加預加軸力，隨著土方的開挖，土體卸載，被動土壓力減小，導致墻體水平位移有向基坑內(nèi)側發(fā)展的趨勢，鋼支撐預加軸力與其抵消一部分，軸力相對逐漸增大，待開挖完成后，支撐軸力趨于穩(wěn)定。在支撐拆除階段，未拆除支撐軸力變化明顯，測點在支護拆除階段也有明顯的增長。因此需在支撐拆除階段，對其他相應支撐再復加預加軸力，以減小支撐拆除給整個基坑的穩(wěn)定性帶來的不利影響。

      從分析結果表明，基坑在每層開挖完成以及支撐拆除的兩個階段，相應位置的支撐軸力波動較大，對基坑穩(wěn)定性的影響較大，故需采取相應的措施，如在相應時段對支撐施加預加軸力，相關軸力計部分測點變化趨勢如圖6 所示，圖中3 －28^#測點安裝時間較短，變化起伏較大，而其它支撐測點已處于穩(wěn)定階段。

      蓋挖段支撐采用鋼筋混凝土支撐，屬于最先設置的支撐，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，在基坑尚未開挖之前，混凝土的徐變收縮就已經(jīng)影響鋼筋混凝土支撐的軸力發(fā)生變化，隨著土體開挖深度增大，周圍土體不斷卸載，外加土體對支撐產(chǎn)生被動土壓力，使得混凝土支撐受壓，軸力隨土體的開挖不斷增大，待開挖至基坑底部，軸力逐漸趨于穩(wěn)定，并隨著時間增長有所下降，最后趨于平穩(wěn)。

      ZC － 19、ZC － 14 是相對離上部輕軌比較近的測點，前方有一段軍用梁橋。上方即為交通繁忙的公路，所以當土體開挖到此段時，對周圍結構建筑及土體影響較大，如圖 7 所示 ZC －19、ZC －14 測點的軸力變化值相對起伏較大。待土體開挖和下方鋼支撐陸續(xù)設置完成后，該段支撐的狀態(tài)就趨于穩(wěn)定，軸力也趨于平緩。

 

      地下連續(xù)墻作為基坑支護中的重要部分，一方面在基坑開挖時約束了土體的變形，另一方面，對于地下水有一定的防滲作用，由于地鐵車站地下連續(xù)墻屬于較早完成的支護結構，從圖 8 可以看出，地下連續(xù)墻在基坑開挖初期位移較小，隨著土體不斷向深層開挖，其位移也逐漸增大，同時土體埋深越大其變化就相對較小，這與土體開挖時的受力和該層土體性質(zhì)有關。所以當基坑開挖越深，上方墻體的位移變化也越大，但隨著開挖完成及相應的支撐的抑制作用，墻體最終會達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時墻體位移形式也完全符合墻體入土較深的位移模式。

      ( 1) 在基坑開挖初期階段，鋼支撐軸力增長迅速，隨著土體開挖完成，鋼支撐的軸力將趨于穩(wěn)定; 相對混凝土支撐來說，而對鋼筋混凝土在開挖初期支撐的軸力呈二次曲線增長，待其增長到一定階段后，軸力才趨于穩(wěn)定;

      ( 2) 鋼支撐在基坑開挖階段，對于土體變形及整個基坑的穩(wěn)定起到了顯著作用，減緩了開挖后土體向墻內(nèi)的移動。值得注意的是在鋼支撐周圍土體開挖及拆除支撐這兩個階段，鋼支撐變化明顯，且呈波動型變化，該狀態(tài)對于基坑的穩(wěn)定性影響較大，需要做出相應的預防措施，盡量避免開挖時土體處于無支撐狀態(tài);

      ( 3) 地下連續(xù)墻位移在開挖初期，墻體的水平位移會隨基坑開挖深度的增加而增大，但整體變化不大，隨著基坑開挖的深度不斷增大，地下連續(xù)墻水平位移也相應增大，而且地下連續(xù)墻的水平位移也隨墻體埋深的增加呈遞減趨勢，即墻體埋深越大其水平位移越小。而且墻體的埋深直接影響到其水平位移的形式。

      總之，深基坑監(jiān)測作為基坑開挖工程中不可缺少的一項工作，不但可以及時反饋施工的質(zhì)量，同時可以預見和指導施工中所遇到的問題，避免施工不當和其他因素造成的損失，是施工決策和信息化施工的重要保障。