蘇卜坤，姜燕，孫樹楷，劉清華

（1、廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司廣州510060；2、廣東省水利水電科學(xué)研究院廣州510610；3、廣東省巖土工程技術(shù)研究中心廣州510641；4、華南理工大學(xué)廣州510640）

0 引言

目前，隨著地鐵在各大城市的快速發(fā)展，出現(xiàn)各種問題的概率也不斷增大。特別是在廣州這種地質(zhì)條件復(fù)雜、建筑物密集的地區(qū)興建地鐵，需要處理許多特殊的技術(shù)問題?，F(xiàn)在廣州地鐵最常見的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式之一就是地下連續(xù)墻+首道混凝土支撐（往下鋼支撐）的形式。在車站運(yùn)營階段，地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)墻形成復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，一起作為車站外墻抵抗外側(cè)水土壓力［1，2］。

在開挖階段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)常規(guī)計(jì)算則是針對車站這種長條形基坑，假設(shè)為平面模型進(jìn)行計(jì)算，除車站端部基坑空間效應(yīng)明顯外，這種假設(shè)有較好的適用性。同時(shí)，在第四紀(jì)土層中，采用荷載結(jié)構(gòu)法，概念清楚、荷載明確，計(jì)算簡單，多年實(shí)踐證明是行之有效的方法［3，4］。此時(shí)，可采用商業(yè)化專業(yè)軟件等進(jìn)行簡化計(jì)算，實(shí)用、方便、快捷。

但這種常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法也有缺點(diǎn)，邊界條件的設(shè)置較為固定，不夠靈活。比如出現(xiàn)基坑變形過大、超出原設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果時(shí)，需要對其進(jìn)行原因分析、施工過程（超挖、坑底軟化等）模擬以及安全性評價(jià)時(shí)，常規(guī)計(jì)算軟件及方法則顯得有些無能為力［5］。

此時(shí)，通用有限元軟件（如Civil 等）顯示出其優(yōu)勢，可以根據(jù)施工現(xiàn)場情況，模擬各種邊界條件和不同工況；結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，還能進(jìn)行參數(shù)反演，從而修正原始輸入數(shù)據(jù)。只有輸入相對準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)，合理簡化邊界條件，這樣利用軟件計(jì)算出來的結(jié)果才可靠、可信。否則，軟件作為一種工具，你輸入錯(cuò)誤參數(shù)，它則輸出錯(cuò)誤結(jié)果［8-14］。

對于上述問題，在當(dāng)前的設(shè)計(jì)計(jì)算中還沒有得到很好的解決，針對這些問題，本文以一個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大的地鐵車站的反演復(fù)核計(jì)算為例，詳細(xì)介紹了所采用的計(jì)算方法和模型［13］，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，得到幾點(diǎn)結(jié)論，以供類似工程參考。

1 工程概況

某地鐵車站是廣州市軌道交通新線某支線工程的中間站，位于市政干道交叉口處，沿南北向路中布置。市政道路現(xiàn)狀均為雙向六車道，基坑周邊主要是在建和擬建的商業(yè)和配套項(xiàng)目。車站為地下2層島式站臺(tái)車站，覆土厚度約3.6 m，全長為220 m。站位所在地為丘陵臺(tái)地地貌單元，地形較平坦，地形標(biāo)高在43.50～44.20 m之間，南側(cè)為剝蝕殘丘；西側(cè)地形平緩，屬剝蝕殘丘與丘間溝谷過渡地帶。本車站范圍內(nèi)上覆第四系人工填土層（Q4ml）、第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)陸相沖積-洪積砂層第四系沖積-洪積土層第四系殘積土層（Qel），下伏晚志留世花崗巖（S3）。

車站采用明挖順作法施工，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.70 m，基坑深度約16.98～18.93 m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐的型式。連續(xù)墻嵌固深度為8.0 m，坑底主要為可塑狀砂質(zhì)粘性土、礫質(zhì)粘性土〈5H-1〉和硬塑狀殘積砂質(zhì)粘性土、礫質(zhì)粘性土〈5H-2〉層。典型斷面如圖1所示。

圖1 車站結(jié)構(gòu)橫斷面Fig.1 Cross Section of Station Structure

基坑于2014 年12 月20 日開始第1 層土方開挖，在開挖至9軸以前，挖到基坑底時(shí)的連續(xù)墻測斜、地面沉降等均在正常范圍，未超出警戒值。

2015 年6 月22 日開挖至9 軸時(shí)出現(xiàn)險(xiǎn)情。開挖至深度9.5 m 時(shí)，墻體測斜點(diǎn)B04 處累積達(dá)到報(bào)警值35 mm；6月22日晚22時(shí)，開挖至深度11.5 m處時(shí)變形達(dá)到控制值，累積位移42.3 mm。完成第2道鋼支撐安裝后（開挖至深度約13.7 m），開始開挖第4層土方，基坑變形持續(xù)加大，最大水平位移增加至50 mm?，F(xiàn)場為安全起見，采取了在基底墊層頂面以上1.7 m位置安裝第3道鋼支撐措施后，到7月5日墻體穩(wěn)定，監(jiān)測無明顯變化，墻體在深度15.5 m處累積位移為52.9 mm。

后續(xù)一段的車站基坑開挖時(shí)加強(qiáng)施工控制，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，墻體測斜均還是產(chǎn)生了較大變形，最大值也達(dá)到了約48 mm。

2 數(shù)值模擬方法介紹

對于上述工程出現(xiàn)的問題，需要立即查找原因，以便計(jì)算分析現(xiàn)有連續(xù)墻承載力是否足夠，安全儲(chǔ)備如何等。具體計(jì)算方法及過程如下：

2.1 計(jì)算參數(shù)

初始計(jì)算參數(shù)的選取主要依據(jù)地勘報(bào)告確定。主要地層為人工填土〈1〉、淤泥〈4-2A〉、淤泥質(zhì)土〈4-2B〉、可塑狀砂質(zhì)粘性土、礫質(zhì)粘性土〈5H-1〉和硬塑狀殘積砂質(zhì)粘性土、礫質(zhì)粘性土〈5H-2〉層，全、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。各巖土層及材料參數(shù)如表1所示。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)值Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

2.2 計(jì)算模型

模型假設(shè)如下：

⑴ 模型沿車站縱向取1 m，將車站視為彈性地基上的平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算；

⑵ 明挖順做時(shí)，開挖階段不用考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的共同作用，當(dāng)采用蓋挖逆作時(shí)，則要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的共同作用，兩者之間用只承受壓力的連桿相連，當(dāng)連桿受拉則自動(dòng)失效；

⑶ 采用地層彈簧模擬地層反力，彈簧剛度=基床系數(shù)×分段長度。地層彈簧設(shè)置為只受壓，受拉則彈簧失效。

⑷ 側(cè)向土壓力采用主動(dòng)土壓力，水土分算。明挖順做一般采用主動(dòng)土壓力，當(dāng)采用蓋挖逆作法施工時(shí)，由于用剛度很大的頂板、樓板等水平構(gòu)件代替臨時(shí)支撐，基坑開挖過程中墻體水平位移一般較小，墻背土壓力可近似按靜止土壓力考慮［2，3］。

計(jì)算模型及荷載分布如圖2所示。本計(jì)算采用通用空間有限元分析軟件MIDAS-CIVIL進(jìn)行計(jì)算分析。

模擬時(shí)有以下幾點(diǎn)需要說明：

⑴ 土彈簧沿墻背全高范圍及開挖側(cè)坑底以下均設(shè)置，即在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)均設(shè)置只壓彈簧，采用節(jié)點(diǎn)彈性支承；

⑵ 對于臨時(shí)鋼支撐，也是采用等效剛度，在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)彈性支承；

⑶ 設(shè)置施工階段時(shí)，將開挖步與施工步分開。在開挖步，模型結(jié)構(gòu)單元不變，鈍化相應(yīng)開挖深度范圍內(nèi)的地連墻內(nèi)側(cè)只壓彈簧，同時(shí)施加由此開挖步產(chǎn)生的側(cè)向水土壓力；待變形后，激活在開挖后需施工的結(jié)構(gòu)單元或約束（臨時(shí)支撐、結(jié)構(gòu)板等）。主要模擬步驟如圖3所示。

圖2 車站圍護(hù)模型及荷載Fig.2 Station Envelope Model and Load

圖3 主要模擬步驟Fig.3 The Main Simulation Steps

2.3 根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)反演計(jì)算參數(shù)

大多數(shù)地勘報(bào)告提供的基床系數(shù)Kh、Kv（含水平及垂直）也均為經(jīng)驗(yàn)或是估計(jì)參數(shù)，為計(jì)算準(zhǔn)確，此參數(shù)可根據(jù)實(shí)際開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析修正（見圖4、圖5）。

根據(jù)現(xiàn)場反饋情況，車站基坑1～8 軸開挖基本正常，天氣也較好，施工工序也嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)步驟進(jìn)行。根據(jù)該段的實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合地勘報(bào)告數(shù)據(jù)，反復(fù)試算確定各層土的基床系數(shù)如表2所示。

此時(shí)，開挖到基坑底時(shí)連續(xù)墻的計(jì)算水平位移如圖6所示。

對比圖4、圖6可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)測最大位移為24 mm；計(jì)算最大位移值22.5 mm，墻體水平位移較為一致，最大值的位置和數(shù)值也相差無幾，說明基床系數(shù)取值較為接近實(shí)際數(shù)值，計(jì)算可靠。從表3可以看出，計(jì)算連續(xù)墻最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為481 kN·m，各道支撐的軸力變化也較為均勻，鋼支撐間距3 m，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值約為：677×3=2 031 kN。

圖4 開挖到基坑底實(shí)測墻體水平位移Fig.4 Horizontal Displacement of Measured Wall When Excavating to the Bottom of the Pit

表2 巖土物理力學(xué)參數(shù)反演值Tab.2 Inversion Value of Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大工況計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場情況反饋，該地鐵車站基坑施工至9 軸時(shí)，恰逢廣州雨季，暴雨連連，再加上施工單位趕工期，造成第2 道支撐架設(shè)不及時(shí)，導(dǎo)致出現(xiàn)前面提到的險(xiǎn)情，最大位移達(dá)52.9 mm。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)首道混凝土支撐與冠梁節(jié)點(diǎn)處上表面出現(xiàn)裂縫，如圖7紅線處。

圖5 基坑監(jiān)測點(diǎn)平面布置Fig.5 Layout of the Monitoring Points of the Foundation Pit

圖6 開挖到基坑底計(jì)算墻體水平位移及內(nèi)力Fig.6 Calculate the Horizontal Displacement and Internal Force of the Wall When Excavating to the Bottom of the Foundation Pit

表3 正常工況下支撐軸力變化情況Tab.3 Change of Supporting Axial Force under Normal Conditions

圖7 報(bào)警工況時(shí)第1道混凝土支撐裂縫Fig.7 The First Concrete Supporting Crack under Alarm Condition

根據(jù)施工單位反饋的暴雨情況、支撐架設(shè)時(shí)間及開挖面長度，重新進(jìn)行建模模擬計(jì)算［14］。具體施工步驟如表4所示。

表4 計(jì)算工況Tab.4 Calculation Cases

考慮軟化后的土體參數(shù)的變化，進(jìn)行了標(biāo)貫試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)擊數(shù)對比及反復(fù)試算，確定軟化后的地基土彈簧剛度如圖8所示。

圖8 基坑軟化后地基參數(shù)Fig.8 Foundation Parameters after the Pit Softened

由于本文在建模時(shí)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)均設(shè)置只壓彈簧，來實(shí)現(xiàn)模擬側(cè)向土壓力在開挖過程中，隨著土體挖除、支撐的架設(shè)、基坑底的土體軟化等引起側(cè)向支撐剛度變化，從而引起側(cè)向土壓力的不斷變化。

從表5計(jì)算結(jié)果可以看出，計(jì)算最大位移值47.8 mm，計(jì)算連續(xù)墻最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為1 012 kN·m。各道支撐的軸力變化較大，第1 道混凝土支撐間距9 m，軸力由開始的3 375 kN（375×9=3 375）增加到4 860 kN，隨著第2 道鋼支撐的滯后架設(shè)及坑底土的軟化，第1 道混凝土支撐軸力又減小至3 600 kN。第2、3道鋼支撐間距3 m，最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值約為1 181×3=3 543 kN。

表5 報(bào)警工況支撐軸力變化情況Tab.5 Change of Supporting Axial Force under Alarm Conditions

4 結(jié)果分析

4.1 數(shù)值模擬分析結(jié)果

從圖9 中可以看出，最大水平位移約為48 mm。與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)較接近，稍微偏小。其主要原因應(yīng)該是側(cè)向土壓力為通過強(qiáng)度參數(shù)c、φ值計(jì)算的主動(dòng)土壓力，沒有根據(jù)坑底土軟化情況進(jìn)行調(diào)整，比實(shí)際的土壓力值偏小，但誤差不大，不影響計(jì)算分析的定量判斷。

圖9 開挖至坑底圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力Fig.9 Displacement and Internal Force of the Retaining Structure When Excavating to the Bottom of the Pit

連續(xù)墻的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值由正常工況的481 kN·m增大至1 012 kN·m，增加110.4%，鋼支撐的最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值由2 031 kN 增大至3 543 kN，增加74.4%，接近該鋼支撐的最大承載力能力設(shè)計(jì)值3 600 kN。

4.2 常規(guī)方法驗(yàn)算的不足

按照前述施工過程，采用常規(guī)方法（理正深基坑軟件等）計(jì)算對于這種坑底土體軟化、水平及豎向支撐剛度降低的情況很難模擬，無法計(jì)算此等特殊工況下的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移和內(nèi)力，無法判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)是否已超出承載能力。

5 結(jié)論

本文對廣州地鐵車站某典型基坑最常見的支護(hù)方式：明挖順做+地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的典型支護(hù)型式基坑進(jìn)行了施工全過程數(shù)值反演計(jì)算；根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，考慮了不同階段的坑底軟化、支撐架設(shè)不及時(shí)等，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，較為準(zhǔn)確地反映了內(nèi)力和變形的變化情況，該方法解決了常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法與工具很難模擬和準(zhǔn)確計(jì)算的問題。對特殊工況（變形過大、支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂等）可以對其進(jìn)行原因分析、施工過程（超挖、坑底軟化等）模擬以及安全性評價(jià)。為其它類似設(shè)計(jì)提供參考。

通過計(jì)算對比分析，有以下幾點(diǎn)值得注意：

⑴ 應(yīng)按實(shí)際施工情況分階段模擬，并根據(jù)監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行反演土層彈簧剛度等參數(shù)；當(dāng)計(jì)算地連墻變形形狀及數(shù)值與實(shí)測相符時(shí)，土層參數(shù)才可認(rèn)為合理；

⑵ 利用反分析得出的土層參數(shù)計(jì)算不同工況下的內(nèi)力與位移，并可對基坑施工全過程進(jìn)行最大位移預(yù)測和最大內(nèi)力的預(yù)測；

⑶ 在坑底軟化的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)踢腳現(xiàn)象，混凝土支撐與連續(xù)墻連接處的上表面會(huì)出現(xiàn)局部拉裂縫。但是，首道混凝土支撐仍受壓，同時(shí)由于與連續(xù)墻的剛接以及支撐豎向高度較大的影響，導(dǎo)致出現(xiàn)表層拉裂縫，而非首道混凝土撐受拉。

⑷ 在坑底軟化的情況下，連續(xù)墻的最大彎矩點(diǎn)會(huì)比正常的下移，隨著墻底踢腳位移的增大，彎矩越來越大，此時(shí)需要復(fù)核連續(xù)墻的極限承載力（極限彎矩、極限剪力）是否足夠。

⑸ 正常施工工況下，首道混凝土軸力越來越?。辉诳拥总浕虺谖醇皶r(shí)支撐的工況下，則為先增加后減小的趨勢。