合肥地铁创新大道站深基坑支护结构变形规律及优化

丁猛猛,曹广勇,笪 伟，吴 超

(安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

近年来，随着城市化的快速发展，地下建筑和地铁等深基坑工程越来越多地出现在工程中。国内外对基坑工程施工引起的地表沉降规律和支护结构变形和优化的研究众多。张尚根[1]提出了按正态分布密度函数拟合基坑周围地表的沉降曲线的方法。杨敏等[2]基于 4 种不同的围护结构基本变形模式，发现基坑周围地表沉降量与围护结构的最大水平位移之间呈线性关系。李淑等[3]通过整理分析北京多个地铁车站基坑的现场实测数据，得出地表沉降变形曲线最终为“凹槽形”。聂宗泉等[4]根据上海、南京等多个地区的深基坑周围地表沉降的实测数据，给出了软土深基坑偏态分布的地表沉降表达式。莫海鸿等[5]对基坑支护桩结构进行优化设计研究，对各施工工况以支护桩变形曲线面积为优化目标，对施工工艺、圈梁截面进行控制变量分析，进而完善整个支护桩优化设计体系。刘毓氚等[6]对地铁中间井基坑进行支护结构优化设计，选出两种优化方案通过模拟技术进行对比分析，得出将两道钢管内支撑改为预应力锚杆的方案为最佳方案。

本文结合合肥地铁创新大道站车站基坑现场实测数据，通过有限元模拟软件Midas GTS/NX对车站基坑进行开挖支护模拟计算，将模拟结果与实际监测数据进行对比分析，结果验证了模拟结果的正确性。基于模拟结果，将基坑现有4道内支撑结构优化为3道，经计算后，新的设计方案能够在保证安全可靠的前提下，节约一定的经济成本和时间成本，同时能够提高空间效应，便于施工。

1 工程概况

创新大道站位于合肥地铁四号线沿望江西路走向，横跨创新大道，地下两层单柱双跨岛式站台，站台长为120 m、宽为11 m，共设4个出入口，2组风亭。车站周围建筑物密集，有部分为高层建筑。由于车站基坑受上下班通勤车辆和人群的影响，在跨路口处局部采用盖挖顺作法施工，其他区域采用明挖法施工。

车站采用“钻孔灌注桩+内支撑”的围护体系，标准段支护桩采用直径800 mm钻孔灌注桩，桩间距1 m，桩长23.3 m，端头井部位支护桩直径800 mm钻孔灌注桩，桩间距为1.1 m，桩长26.6 m。内支撑采用0.8 m×1 m尺寸，材料规格为C35等级的混凝土，钢筋规格为HPB300、RB400钢，砼支撑之间距离为9 m。钢支撑采用A609钢，直径609 mm，壁厚16 mm，钢支撑之间的距离为3 m。

2 数值分析计算模型

2.1 基本假设

假定各层土体水平均匀分布,材料均质各项同性,不考虑基坑地下水对土体开挖的影响。[7]

2.2 模拟方案

建模过程中为了提高模型计算速度，根据抗弯等效刚度并结合工程实例，将钻孔灌注连续桩转换为等刚度的地下连续墙结构[8]，材料力学等刚度转换理论原则如公式(1)：

(1)

式中：D为灌注桩直径；t为灌注桩之间的间距；h为地下连续墙厚度。

直径800 mm桩间距为1.1 m的咬合桩转换为602 mm厚的地连墙。本文主要对端头井部分进行模拟分析，基坑土体开挖施工工况分为5次开挖，每次开挖深度为2.3 m、6 m、4 m、3 m、3 m。每次开挖到内支撑位置下0.5 m再做支撑，共一道砼支撑和三道钢支撑，四道内支撑分别位于地下-1.8 m、-7.8 m、-11.8 m、-14.8 m的位置。

2.3 模型建立

车站基坑利用Midas GTS NX软件建立三维有限元模型。车站结构总长272.0 m，标准段宽19.7 m，开挖最深处达20.8 m。一般基坑模拟开挖会对外围2倍到3倍的土体范围造成影响，故模型尺寸建为长400 m、宽160 m、高45 m的大尺寸模型。基坑土体分为7层采用修正摩尔库伦本构模型，各土层物理力学参数如表1所示。整体模型如图1所示。

表1 各土层物理力学参数表

图1 整体基坑模拟示意图

3 计算结果分析

通过对基坑开挖施工工况的数值模拟，得到了基坑周边地表沉降、围护结构水平位移，通过把模拟的结果与现场实测数据进行对比分析，验证模拟结果是否符合实际情况。

3.1 地表沉降对比分析

基坑开挖过程会引起周围土体的扰动，开挖后的土体应力释放会造成围护结构两侧的土压力差，不仅引起土层水平位移，也会引起基坑周围地表沉降。截取模型的二分之一剖面，如图2所示。提取工况1到工况5的东段工作井附近的沉降数据做曲线图，并与现场监测数据进行拟合比对，如图3所示。

图2 模型二分之一剖面

图3 地表沉降模拟与实测值对比图

结果表明：地铁基坑开挖引起的地表变形趋势基本上相似，地表沉降随着距基坑边的距离增大，呈现先增大后减小的趋势，表现为“凹槽形”。其中基坑地表最大沉降发生在第五次开挖，数值为11.6 mm，最大沉降点距离坑边8 m-12 m。通过实测值与模拟结果对比图可以看出，实测沉降最大值在距坑边10 m附近，数值为10 mm，比模拟数值偏小14%。

3.2 地连墙围护结构水平位移对比分析

截取模型中东端工作井侧面的二分之一剖面，如图4所示。提取其工况1到工况5的工作井侧面地连墙的水平变形数据做曲线图，并与现场监测数据进行拟合比对，如图5所示。

结果表明：地铁基坑开挖引起地连墙结构水平位移变化趋势基本上类似，水平位移随着开挖的开展，呈现先增大后减小的趋势，最终表现为“抛物线形”。最大水平位移发生在第5次开挖，数值为20.6 mm，最大变形中心位于地下12 m-15 m位置处。通过实测值与模拟结果对比图可以看出，实测水平位移最大值在-12 m附近，数值为19 mm，比模拟数值偏小7.9%。

图4 东端工作井侧面二分之一剖面

图5 地连墙结构水平变形模拟与实测值对比图

4 支护结构的优化

4.1 优化目标

通过图5可以看出，地表沉降和地连墙水平变形的模拟结果与现场实测值之间仍然存在着误差，导致误差的原因可能是没有考虑基坑降水及地面荷载对模拟计算的影响。但是数据基本上吻合，并且表现为相同的变化趋势，从而验证了模拟结果的正确性，进而为支护方案优化做准备。

深基坑支护结构优化的主要目标是“安全”和“经济效应”[9]。可以看出，现有的支护方案能够满足基坑设计的“安全”要求。但是支护方案设计过于保守，会造成一定的经济浪费和施工工期的延后。因此，在保证基坑施工安全的前提下，能够使工程造价降低和施工工期的提前，仍然是人们主要的关心问题。

4.2 优化方案

基于基坑设计的结构“安全”、“经济效益”两个主要优化目标，现对创新大道站东端头井内支撑结构进行进一步优化设计：第二道内支撑沿Z方向下调整0.5 m，第三道内支撑沿Z方向下调整-2 m。所有钢支撑预加轴力增大50%，去掉第四道内支撑结构，增加开挖步骤，从第二道内支撑的位置到坑底土体改为四步开挖。

4.3 优化结果对比分析

提取的优化后的地表最大沉降如图6所示。地连墙围护结构最大水平位移的模拟变形图如图7所示。

图6 优化后的地表最大沉降

图7 优化后地连墙结构最大水平位移

与之前的支护方案得到的结果作对比分析，结果表明：优化后新方案的地表最大沉降为13.9 mm，比原方案地表沉降增大了2.3 mm。优化后新方案的地连墙最大水平位移为24.6 mm，比原方案水平位移增大了4 mm。这是由于去掉了第3道钢支撑之后的，导致“地连墙+内支撑”体系整体刚度降低，随着土体的向下开挖，地连墙两侧产生的应力差比之前的要大，导致地连墙外侧土体应力进一步释放，进而引起围护结构侧向位移和地表沉降的变大，但是变化范围仍能满足《建筑基坑工程监测技术规范》的要求。说明优化后的支护方案具备可实施性。在保证基坑安全可靠的前提下，由于减少了一道内支撑，节约了施工成本，达到了一定的经济效益。同时优化了基坑的空间效应，增大了可操作的空间，便于施工，能够有效的缩短工期，节约时间成本。合理的开挖顺序、步骤和深度，能够降低开挖时土体应力释放对围护结构的影响，保证在开挖的时围护结构的整体安全。

5 结 语

本文基于有限元分析软件MidasGTSNX对创新大道站地铁基坑，进行了深基坑开挖及支护过程的数值模拟分析，并与现监测测数据进行对比及支护结构优化方案的对比，得出以下主要结论:

深基坑开挖施工过程中地表沉降曲线最终表现为“凹槽形”。最大沉降发生在第五次开挖，数值为11.6 mm。实测沉降最大值为10 mm，比模拟数值偏小14%。

深基坑开挖施工过程中地连墙结构水平位移变形曲线最终表现为“抛物线形”。地连墙最大水平位移发生在第5次开挖，数值为20.6 mm，实测数据的最大水平位移值为19 mm，比模拟数据偏小7.9%。

优化后新方案的地表最大沉降为13.9 mm，比原方案地表沉降增大了2.3 mm。优化后新方案的地连墙最大水平位移为24.6 mm，比原方案水平位移增大了4 mm。但是变化范围仍能满足《建筑基坑工程监测技术规范》的要求。优化设计在保证安全可靠的前提下，节约了基坑施工成本，便于施工，能够有效的缩短施工工期，节约了施工时间成本。