肖雨瑤

（中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 300222）

0 引言

隨著大量的高層建筑及地下工程建設的進展，基坑工程應用越來越廣泛［1］。為了保證基坑的穩(wěn)定，早期基坑工程的開挖一般采用放坡的形式［2］。 但在進行城市地鐵站開挖時， 由于開挖的深度深、 空間小，放坡無法滿足基坑工程的穩(wěn)定性要求。為了減少對地鐵站周圍建筑、 地下管道及道路等重要工程的影響，地鐵站基坑工程采用圍護開挖的方式。而基坑開挖以及圍擋支護引起的地鐵站周圍土體的沉降問題又凸現出來，需要進行專題研究。

目前， 基坑工程引起周圍土體變形的研究方法主要有模型試驗、理論推導和數值模擬3 種方法［3－8］。其中， 數值模擬是在考慮不同地質條件和影響因素的情況下，建立基坑開挖模型，研究基坑開挖對周圍土體的影響。數值模擬由于分析工程問題全面、輸出結果直觀， 不僅能考慮不同地質條件的土體來模擬實際工況， 而且可以通過修改土體與結構參數以考慮不同因素的影響， 從而模擬每一個施工工況對應的結構受力狀態(tài)， 在工程項目的初步分析設計與計算研究中得到廣泛應用。但是，數值模擬在基坑工程中的應用研究主要體現在基坑開挖過程中圍護結構的最大水平位移和地表土體沉降的規(guī)律， 且開挖工程沒有考慮圍擋支護對周圍土體變形的影響。 筆者主要針對基坑開挖及圍擋支護對周圍土體變形的影響進行數值模擬分析， 探討基坑開挖和圍擋支護引起周圍土體的內力分布及變形的規(guī)律， 以期為實際工程的施工提供參考。

1 工程概況

某地鐵換乘站位于兩條大道交叉處， 呈南北走向，車站東北方向為鍋爐廠，東南方向為城市廣場和住宅區(qū)，西北方向為城市廣場和學校，西南方向為城市廣場。兩大道為該市的主要道路，車流、人流較大。地鐵站周圍地表以下45 m 以內地基土屬第四系（Q）沉積地層，土體主要是黏質粉土和粉質黏土，其參數如表1 所示。

該車站主體采用兩層三跨鋼筋混凝土箱型框架結構，基坑長為220.6 m、標準段寬為21.5 m、深約為16.8 m，端頭井段寬為26.7 m、深約為18.7 m，同時實施的換乘節(jié)點處基坑深度約為24.0 m， 基底埋深最深處為15.5 m。 車站采用明挖法施工， 基坑深為16.8 m， 主體圍護結構采用間隔鉆孔灌注樁和設3 道鋼支撐的支護形式。3 道鋼管內支撐分別設置于－1 m、－6.5 m、－12.5 m 標高處，第一道支撐水平間距為6.0 m，第二、三道支撐水平間距為4.0 m。 基坑的圍擋支護形式如圖1 所示。

表1 土體參數Tab.1 Soil parameters

2 數值模擬

2.1 計算方法

圖1 標準段圍護結構橫斷面圖Fig.1 Retaining support cross section of standard section

本文采用有限元軟件對基坑開挖與圍擋支護過程進行模擬， 對基坑開挖的工況以及支護手段進行數值分析。 在建立基坑模型時，假設土體和支護結構材料都是均質、各向同性材料。 基坑模型的長、寬、高均為24 m。 模型將土體分為4 層，層厚分別為2.4 m、6.6 m、6.0 m 和9.0 m， 然后對每一層土體進行參數賦值，如表1 所示。 對賦值模型進行網格劃分后，采用摩爾庫倫模型進行模擬計算，獲得模型的初始平衡狀態(tài) （即模擬開挖前的原巖應力狀態(tài)）。最后，進行工程開挖和支撐，或改變邊界條件進行工程的響應分析， 通過顯式有限差分程序的方法進行求解［9］。

2.2 模擬開挖與支撐

根據深基坑開挖施工的實際情況，對相應施工工況進行模擬。 每一步都先進行開挖，再利用NULL 模型對相應的網格單元進行開挖模擬，然后利用BEAM單元對架設鋼支撐進行模擬。 在邊界條件的處理上，限制模型右側x 方向的位移和模型底部任何方向的位移，以此反復，直到開挖完成，終止模型計算。

本次建模取基坑長（x 方向）為24 m、寬（y 方向）為12 m、高（z 方向）為24 m。 為方便模擬，第一次開挖到7 m， 第二次開挖到13 m， 第三次開挖到17 m（z 方向）。

2.2.1 第一次開挖及支撐

圖2 和圖3 分別為開挖到地下7 m（z＝－7）時的開挖網格圖和在地下1 m 處（z＝－1） 設2 道鋼支撐（y＝3，y＝9）的支撐網格圖。

2.2.2 第二次開挖及支撐

圖4 和圖5 分別為開挖到地下13 m （z＝－13）時的開挖網格圖和在地下7 m 處（z＝－7）設3 道鋼支撐（y＝2，y＝6，y＝10）的支撐網格圖。

圖2 第一次開挖網格圖Fig.2 The first excavation grid

圖3 第一道鋼支撐網格圖Fig.3 The first steel shotcrete grid

圖4 第二次開挖網格圖Fig.4 The second excavation grid

圖5 第二道鋼支撐網格圖Fig.5 The second steel shotcrete grid

2.2.3 第三次開挖及支撐

圖6 和圖7 分別為開挖到地下17 m（z＝－17）時的開挖網格圖和在地下13 m 處（z＝－13）設3 道鋼支撐（y＝2，y＝6，y＝10）的支撐網格圖。

圖6 第三次開挖網格圖Fig.6 The third excavation grid

圖7 第三道鋼支撐網格圖Fig.7 The third steel shotcrete grid

2.3 模擬結果分析

2.3.1 主應力分析

3 次開挖的主應力分布情況如圖8～圖10 所示。 由圖8～圖10 可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，最大主應力集中在坑底和圍護結構的兩側，基坑底部的土體變化速率也在慢慢增加。 最大主應力均為由上至下逐步遞增，并且方向向下。 在同一水平位置上， 未開挖部分的最大主應力都比開挖部分的最大主應力小。 這符合基坑開挖土體應力的變化規(guī)律。 在基坑底部靠近圍擋結構的地方，出現應力集中的現象， 說明該部分受力情況相對復雜。

圖8 第一次開挖主應力分布圖Fig.8 Principal stress distribution of the first excavation

圖9 第二次開挖主應力分布圖Fig.9 Principal stress distribution of the second excavation

圖10 第三次開挖主應力分布圖Fig.10 Principal stress distribution of the third excavation

2.3.2 縱向位移分析

3 次開挖的縱向位移變化情況如圖11～圖13所示。 由圖11 可以看出，在開挖土體的時候，原始應力場被破壞，土體中的應力重新分布，基坑周圍土體有輕微隆起，較遠處有輕微沉降，基坑底部出現隆起。由圖12 和圖13 可以看出，隨著基坑開挖深度的不斷增加，基坑底部土體的縱向位移量逐漸增大。 基坑底部有很明顯的隆起，越靠近基坑的中心，基坑底部隆起量就越大。 基坑周邊地表有沉降，現降量隨著到基坑坡頂距離的增大而逐漸減小。

圖11 第一次開挖縱向位移圖Fig.11 Vertical displacement of the first excavation

圖12 第二次開挖縱向位移圖Fig.12 Vertical displacement of the second excavation

圖13 第三次開挖縱向位移圖Fig.13 Vertical displacement of the third excavation

2.3.3 水平位移分析

3 次開挖的水平位移如圖14～圖16 所示。 由圖14～圖16 可以得出：（1）在基坑開挖過程中，由于側向約束力逐步被解除，因此，會產生水平位移，且同等深度的水平位移隨著開挖深度的增加而增加。（2）在開挖深度不斷增加的情況下， 開挖平面上的水平位移在逐步增大， 而開挖面以下土體的水平位移是先增大后減少。這是因為第一次開挖坑底產生隆起，故開挖面以下產生較大的位移， 隨著圍護結構支撐的逐步到位，水平位移逐漸減小。 每次開挖帶來的水平位移的變化都是先增大后減小，開挖面的土體向基坑內部移動的位移較大。 （3）在進行第三次開挖時，基坑土體水平位移隨開挖深度的不斷增加而逐步增加。 在開挖至深基坑底部的時候，水平位移值達到最大，最大水平位移發(fā)生在基坑的上半部分。

圖14 第一次開挖水平位移變化圖Fig.14 Horizontal displacement change of the first excavation

圖15 第二次開挖水平位移變化圖Fig.15 Horizontal displacement change of the second excavation

圖16 第三次開挖水平位移變化圖Fig.16 Horizontal displacement change of the third excavation

3 結語

本文根據基坑開挖及支護的工程特點， 采用有限元軟件對基坑開挖及圍擋支護的最大主應力、縱向位移和水平位移進行分析， 得出如下結論：（1）最大主應力主要集中在坑底和圍護結構的兩側， 在坑底和基坑邊坡的區(qū)域容易出現應力集中的現象，故在基坑工程施工過程中， 應特別注意此區(qū)域的結構強度。 （2） 基坑底部和基坑周圍的土體有明顯的隆起，這表明基坑開挖對基坑底部底板的強度要求高。基坑對周圍的土體影響較大， 尤其是周圍有建筑物時，應控制其對周圍土體的位移影響。 （3）在開挖至深基坑底部的時候， 基坑靠上部分的水平位移達到最大。 在施工過程中，應加強該部分的水平支護。 需要說明的是， 本文僅考慮了基坑開挖對周圍土體的影響，對周圍建筑或堆載的影響有待進一步研究。