地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟

地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟

王红涛

天津晟源工程勘察设计有限公司天津300000

摘要：以某地铁换乘车站基坑为研究背景，分析了基坑施工过程中地下连续墙水平位移随基坑开挖深度和时间的变化规律。建立三维有限元模型对地铁车站深基坑开挖进行模拟计算，将获得的地下连续墙变形结果与监测结果进行了对比分析。结果表明：地下连续墙最大水平位移的计算值与实测值差距很小，其发展变化的趋势几乎一致，有限元计算的结果是可信的。三维有限元模型能够更好的考虑基坑空间效应对地下连续墙水平位移的影响，可以为优化设计和施工提供有益的参考。

关键词：地铁车站；基坑围护；变形监测；数据模拟

1前言

随着中国城市建设规模不断扩大，高层建筑及地下交通工程建设中面临很多深开挖问题。特别是城市地铁的兴建，产生了大量的地铁车站深基坑工程。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，从而造成其围护结构的变形。由于深基坑施工边界的复杂性，一般很难通过解析的方法来求解基坑工程中围护结构的变形及其对周边环境的影响，数值分析方法为这种问题的求解提供了有力的工具。本文通过有限远程序与理正深基坑分析软件对地铁换乘车站基坑进行模拟计算，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围护结构的变形特性。

2工程概况及地质条件

2.1工程概况

拟建某市地铁1号线滨江站位于某市市滨江区江陵路与江南大道交叉处江陵路上，6号线滨江站位于江南大道与江陵路相交叉路口江南大道上，与沿江陵路的地铁1号线车站换乘，1号线在上，6号线在下。本站为地下3层岛式车站。1号线车站沿江陵路南北向布置，为地下2层站，车站总长474.5m，标准段宽20.3m，车站总建筑面积15812m2。6号线沿江南大道东西向布置，为地下3层站，车站总长148m，标准段宽19.3m，车站总建筑面积14425.3m2。地铁1号线和6号线在滨江站节点同时施工。

主体部分围护结构采用1000mm厚地下连续墙，附属结构采用钻孔咬合桩。标准段设置6道支撑，端头井7道支撑，先期施工的换乘节点设置4道混凝土支撑和2道钢支撑，其余标准段设置2道混凝土支撑和4道钢支撑，端头井2道混凝土支撑和5道钢支撑。主体设置2道封堵墙，分三段两期施工。

2.2工程地质条件

该地铁车站场地属于钱塘江冲海积平原地貌单元，地基土属中软场地土。主要地层为①-2素填土，层厚1.5m；③-2砂质粉土，层厚2.1m；③-3砂质粉土夹粉砂，层厚4.4m；③-4砂质粉土，层厚5.0m；③-5粉砂夹砂质粉土，层厚2.6m；③-7砂质粉土，层厚1.4m；④-3淤泥质粉质黏土，层厚8.0m；⑥-2淤泥质粉质黏土，层厚4.6m。地下水分布为两个主要含水层，即浅层潜水和深层承压水。潜水含水层组主要为全新统冲海积砂（粉）土，包括③层粉土及粉砂夹粉土，潜水位埋深2.10～3.90m；承压含水层主要分布于⑿-1层中砂、⒁-1层圆砾中，勘察期间测得承压水位埋深4.00m，水位标高为2.24m。

3车站基坑围护结构设计及监测方案

3.1围护结构设计

本文的研究对象为先期施工的换乘节点，节点区1号线方向长41.6m，宽20.1m，地下连续墙深30.8m；6号线方向长45.6m，宽20.5m，地下连续墙深43m。节点基坑开挖深度为16.7～24.3m，采用明挖顺作法施工。基坑主体围护结构采用1000mm厚的地下连续墙，节点处基坑从上到下设计为四道钢筋混凝土支撑，两道钢管支撑。研究截面处基坑围护结构布置图见图1。

4有限元计算模拟及分析

4.1数值计算模型

由于节点基坑的空间不对称性，取整体进行计算分析，采用有限元软件ABAQUS建立三维有限元模型。其中，支撑结构中的梁和柱采用空间梁单元，地铁车站的楼板和地下连续墙采用空间壳单元，联系杆采用线弹性杆单元模拟。车站底板下和基坑外侧的土体采用Winkler弹性地基，简化为土弹簧单元。随着开挖深度的增加，被动区土层标高下降后会导致不同土层的等效土弹簧刚度逐步减小。本文的有限元模型考虑了土弹簧刚度的动态调整。

4.2计算参数的选取

由于支护结构刚度较大，选用线弹性模型，地下连续墙及混凝土水平支撑为C30，弹性模量取为25GPa，泊松比取为0.2。水平钢管支撑弹性模量取为210GPa，泊松比取为0.3。

4.3计算与监测结果对比

选取两个关键工况的计算结果与实测值进行对比分析，基坑开挖面以上地下连续墙水平位移的变化情况，在基坑开挖的深度范围内，计算值小于实测值，可能是由于计算中无法考虑人为、车辆、施工机械等的影响，使实测和计算结果有一定的偏差，但实测值与计算值变化趋势基本一致。

5结束语

本文所建立的数值模型考虑了土弹簧刚度的动态调整，实际计算工作量小，能够较好的模拟地下连续墙最大水平位移的发展，可用于基坑围护设计中考虑空间效应的水平位移计算分析。

参考文献

[1]刘杰，姚海林，任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J].岩土力学，2010，S2：456-461.

[2]吴意谦，朱彦鹏.兰州市湿陷性黄土地区地铁车站深基坑变形规律监测与数值模拟研究[J].岩土工程学报，2014，S2：404-411.