地铁车站基坑施工过程中支护结构变形研究

杨瑞宝

摘要：以榆树庄站地铁车站为研究对象，采用3D实体单元模拟，建立其有限元模型，分析其基坑施工过程中，桩体的位移及结构变形规律，得出以下结论：当开挖深度较小时，桩体主要受到基坑土体的主动土压力作用。随着开挖过程的进行，采用支撑、冠梁等措施对基坑的水平位移进行控制，使其水平位移-桩深曲线呈先增大后减小的趋势。随着开挖过程的进行，基坑桩体的最大水平位移逐渐增大，且其最大位移对应的桩深逐渐增大，说明开挖过程会影响基坑桩体的水平位移。模拟值与实测值间的差距较小，二者间的水平位移最大差值不超过1mm，证实采用有限元模拟对地铁车站的基坑变形及受力情况进行分析准确性较高。

关键词：地铁车站；基坑施工；变形规律；位移

0   引言

地铁车站基坑施工过程中，其支护结构的变形及受力情况对其施工安全性至关重要。近年来，许多专家学者针对地铁车站基坑施工过程支护结构的受力及变形特性开展相关研究。

赵金先等人[1]以某地铁车站为研究对象，基于德尔菲法，对其基坑施工过程的安全性进行分析。研究结果表明，在地铁车站基坑施工过程中，土方开挖及降水排水等施工过程对其安全性的影响较大。刘季富[2]以成都地铁为研究对象，建立其数值模拟模型，对其车站基坑施工过程中的受力及变形情况进行分析。研究结果表明，截水帷幕幕墙可有效降低基坑支护结构的变形，从而保证结构的稳定性。晁春波等人[3]以某地铁基坑为研究对象，建立其有限元模型，分析其开挖施工过程的位移及结构受力，并根据研究结果，对其基坑支护方案进行优化。研究结果表明，采用混凝土支撑可降低基坑土体沉降，提高施工过程的安全性。慕焕东等人[4]以洛阳某地铁车站为研究对象，开展模型试验，对其支护结构的受力及变形规律进行分析。研究结果表明，该结构的最大桩深位移为2.54cm。王凌等人[5]以南昌地铁车站为研究对象，基于小应变刚度硬化模型，对其基坑开挖过程的结构变形及沉降规律进行研究。研究结果表明，该模型与实际监测数据的差距较小，可用于实际工程的变形预测。

本研究以榆树庄站地铁车站为研究对象，采用3D实体单元模拟，建立其有限元模型，分析其基坑施工过程中，桩体的位移及结构变形规律。

1   工程概况

榆树庄站地铁车站中心里程为右K22+139.700，车站总长为257.5m，两侧站台宽度分别为5.05m、4.29m。车站总建筑面积为24173m²，车站顶板覆土3.07m。

本站主体结构为地下单层多跨钢筋混凝土箱型框架结构（局部含设备夹层及板下过轨通道）。车站主体基坑标准段深度约14.411～15.546m，过轨通道部分基坑深度约为19.9m。钻孔灌注桩主要采用1000@1500，其余桩间距根据基坑型式进行微调，锚索采用一桩一锚。局部基坑斜角段根据锚索钻孔空间，桩间距为1600mm。

2   有限元模型建立

该地铁车站采用3D实体单元模拟，其土层地质参数如表1所示。

为分析施工过程中，基坑桩体的位移及结构变形规律，采用有限元软件对其施工过程进行模拟。地铁车站基坑的施工过程如下：开挖深度为3m时，架设混凝土支撑及冠梁；开挖深度为7m时，架设钢支撑及腰梁；开挖深度为11m时，架设钢支撑及腰梁；开挖深度为15m时，架设钢支撑及腰梁；开挖深度为18m时，进行底板浇筑。

3   结果分析

为分析基坑桩体的位移及结构变形规律，分别在不同开挖过程下，分析基坑桩体的水平位移。

3.1   长边方向的桩体水平位移-桩深曲线

其长边方向的桩体水平位移-桩深曲线如图1所示。由图1可知，除开挖过程1外，随着桩深的增大，基坑长边桩体的水平位移呈先增大后减小的趋势，开挖过程1的水平位移-桩深曲线变化趋势较为平缓，呈现出向坑内前倾的变化趋势。

分析认为，由于开挖深度较小时，桩体主要受到基坑土体的主动土压力作用。随着开挖过程的进行，采用支撑、冠梁等措施对基坑的水平位移进行控制，使其水平位移-桩深曲线变化趋势发生改变。

当桩深在13m作用时，开挖过程5的桩体水平位移均有最大值，其值为12.13mm。随着开挖过程的进行，基坑桩体的最大水平位移逐渐增大，且最大位移对应的桩深逐渐增大，不同开挖过程的最大位移在0.62～0.78H间（H为开挖深度），说明开挖过程会影响基坑桩体的水平位移。

3.2   短边方向的桩体水平位移-桩深曲线

分別分析不同开挖过程下，基坑桩体的水平位移，其短边方向的桩体水平位移-桩深曲线如图2所示。

由图2可知，基坑桩体短边方向的水平位移变化趋势与长边保持一致。其中，开挖过程5的水平位移最大，开挖过程1的水平位移最小。除开挖过程1外，桩体的水平位移随桩深的增大呈先增大后减小的趋势。

对比基坑长边桩体的水平位移可得，在同一施工过程及桩深下，基坑短边桩体水平位移较小。当桩深为-14m时，开挖过程5的水平位移有最大值，其值为9.24mm，说明在地铁车站基坑施工过程中，其桩体水平位移以其基坑长边方向的桩体为主。当桩深为-15～-10m时，各开挖过程间的水平位移较大，随着桩深的增大，不同开挖过程的水平位移的差距逐渐减小。

3.3   长边方向的桩体弯矩-桩深曲线

为分析施工过程中，基坑桩体的力学性能变化规律，分别分析不同开挖过程下，基坑桩体的弯矩变化，其长边方向的桩体弯矩-桩深曲线如图3所示。

由图3可知，随着桩深的增大，基坑长边方向的桩体弯矩呈上下波动趋势。分析认为，在开挖过程中，开挖过程2至5均采用钢支撑及腰梁等进行支护，使其基坑桩体受力发生改变，此时其弯矩-桩深曲线呈波动趋势。其中，开挖过程1的桩体弯矩变化趋势较为平缓，其余开挖过程的桩体弯矩较为集中。

对比不同开挖过程的弯矩可得，随着开挖过程的进行，基坑桩体所受的弯矩逐渐增大，在同一桩深下，开挖过程5的桩体弯矩最大，开挖过程1的桩体位移最小。当桩深为-15m时，开挖过程5的桩体弯矩有最大值，其值为1132kN·m。

3.4   短边方向的桩体弯矩-桩深曲线

分别分析不同开挖过程下，基坑桩体的弯矩辩护，其短边方向的桩体弯矩-桩深曲线如图4所示。由图4可知，基坑短边方向弯矩与其长边方向变化趋势一致，其柱体弯矩随桩深的增大呈波动趋势，且不同开挖过程的弯矩差距较大。其中，开挖过程5的弯矩最大。当桩深为-14m时，其弯矩有最大值，其值为913kN·m。

对比基坑长边方向的柱体弯矩可得，基坑短边方向的柱体弯矩较小，说明在施工过程中，基坑柱体的受力以其长边方向为主。

综合以上分析可得，基坑长边与短边方向的柱体受力方式及其变形规律具有一致性，但是其变形程度与受力大小具有一定的差异性，其变形及受力主要以长边方向为主。

3.5   水平位移-桩深模拟值与实测值对比

为分析本研究所采用的有限元模型模拟计算的准确性，选取基坑长边方向的桩体水平位移为研究对象，对比其模拟值与实测值间的差异性，其水平位移-桩深曲线对比如图5所示。

由图5可知，模拟值与实测值间的差距较小，二者间的水平位移最大差值不超过1mm，且实测值的水平位移大于模拟值，说明采用有限元模拟对地铁车站的基坑变形及受力情况进行分析的准确性较高。

4   结束语

地铁车站基坑施工过程中，其支护结构的变形及受力情况对其施工安全性至关重要。本研究以榆树庄站地铁车站为研究对象，采用3D实体单元模拟，建立其有限元模型，分析其基坑施工过程中，桩体的位移及结构变形规律，得出以下结论：

除开挖过程1外，随着桩深的增大，基坑长边桩体的水平位移呈先增大后减小的趋势。开挖过程1的水平位移-桩深曲线变化趋势较为平缓，呈现出向坑内前倾的变化趋势。

在同一施工过程及桩深下，基坑短邊桩体水平位移较小，当桩深为-14m时，开挖过程5的水平位移有最大值，其值为9.24mm，说明在地铁车站基坑施工过程中，其桩体水平位移以其基坑长边方向的桩体为主。

在开挖过程中，开挖过程2至5均采用钢支撑及腰梁等进行支护，使其基坑桩体受力发生改变，此时其弯矩-桩深曲线呈波动趋势；其中，开挖过程1的桩体弯矩变化趋势较为平缓，其余开挖过程的桩体弯矩较为集中。

参考文献

[1] 赵金先，孟玮，孙斐.基于Gray-Shapley的地铁车站基坑施工风险评价[J].青岛理工大学学报，2022，43（3）：33-40.

[2] 刘季富.富水砂卵石地层大型地铁车站基坑变形与支护结构受力分析[J].城市轨道交通研究，2022，25（6）：43-46+52.

[3] 晁春波，祝清阳.寒区土岩复合地层地铁车站基坑支护结构变形及优化研究[J].工程建设与设计，2022（7）：36-38.

[4] 慕焕东，邓亚虹，张文栋，等.洛阳地铁车站基坑支护变形特性模型试验研究[J].岩土工程学报，2021，43（S1）：198-203.

[5] 王凌，张声宇，张跃明，蒋亚龙，等.南昌河流阶地内地铁车站基坑变形研究[J].华东交通大学学报，2021，38（3）：31-40.