某地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)變形過大的實測與計算分析

蘇卜坤，姜燕，孫樹楷，劉清華

（1、廣州市市政工程設計研究總院有限公司廣州510060；2、廣東省水利水電科學研究院廣州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。在車站運營階段，地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)墻形成復合墻結(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，圍護結(jié)構(gòu)常規(guī)計算則是針對車站這種長條形基坑，假設為平面模型進行計算，除車站端部基坑空間效應明顯外，這種假設有較好的適用性。同時，在第四紀土層中，采用荷載結(jié)構(gòu)法，概念清楚、荷載明確，計算簡單，多年實踐證明是行之有效的方法［3，4］。此時，可采用商業(yè)化專業(yè)軟件等進行簡化計算，實用、方便、快捷。

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

此時，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)合實測數(shù)據(jù)，還能進行參數(shù)反演，從而修正原始輸入數(shù)據(jù)。只有輸入相對準確的基礎(chǔ)參數(shù)，合理簡化邊界條件，這樣利用軟件計算出來的結(jié)果才可靠、可信。否則，軟件作為一種工具，你輸入錯誤參數(shù)，它則輸出錯誤結(jié)果［8-14］。

對于上述問題，在當前的設計計算中還沒有得到很好的解決，針對這些問題，本文以一個圍護結(jié)構(gòu)變形過大的地鐵車站的反演復核計算為例，詳細介紹了所采用的計算方法和模型［13］，并將計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行了比較，得到幾點結(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)和配套項目。車站為地下2層島式站臺車站，覆土厚度約3.6 m，全長為220 m。站位所在地為丘陵臺地地貌單元，地形較平坦，地形標高在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，主體圍護結(jié)構(gòu)基坑標準段寬度為19.70 m，基坑深度約16.98～18.93 m；圍護結(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 軸時出現(xiàn)險情。開挖至深度9.5 m 時，墻體測斜點B04 處累積達到報警值35 mm；6月22日晚22時，開挖至深度11.5 m處時變形達到控制值，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加強施工控制，嚴格按照設計要求進行，墻體測斜均還是產(chǎn)生了較大變形，最大值也達到了約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，以便計算分析現(xiàn)有連續(xù)墻承載力是否足夠，安全儲備如何等。具體計算方法及過程如下：

2.1 計算參數(shù)

初始計算參數(shù)的選取主要依據(jù)地勘報告確定。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、強風化花崗巖層。各巖土層及材料參數(shù)如表1所示。

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

2.2 計算模型

模型假設如下：

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)進行計算；

⑵ 明挖順做時，開挖階段不用考慮圍護結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的共同作用，當采用蓋挖逆作時，則要考慮圍護結(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，當連桿受拉則自動失效；

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。地層彈簧設置為只受壓，受拉則彈簧失效。

⑷ 側(cè)向土壓力采用主動土壓力，水土分算。明挖順做一般采用主動土壓力，當采用蓋挖逆作法施工時，由于用剛度很大的頂板、樓板等水平構(gòu)件代替臨時支撐，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］。

計算模型及荷載分布如圖2所示。本計算采用通用空間有限元分析軟件MIDAS-CIVIL進行計算分析。

模擬時有以下幾點需要說明：

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

⑵ 對于臨時鋼支撐，也是采用等效剛度，在相應節(jié)點處設置節(jié)點彈性支承；

⑶ 設置施工階段時，將開挖步與施工步分開。在開挖步，模型結(jié)構(gòu)單元不變，鈍化相應開挖深度范圍內(nèi)的地連墻內(nèi)側(cè)只壓彈簧，同時施加由此開挖步產(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)實測數(shù)據(jù)反演計算參數(shù)

大多數(shù)地勘報告提供的基床系數(shù)Kh、Kv（含水平及垂直）也均為經(jīng)驗或是估計參數(shù)，為計算準確，此參數(shù)可根據(jù)實際開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)進行反分析修正（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，施工工序也嚴格按照設計步驟進行。根據(jù)該段的實測數(shù)據(jù)，結(jié)合地勘報告數(shù)據(jù)，反復試算確定各層土的基床系數(shù)如表2所示。

此時，開挖到基坑底時連續(xù)墻的計算水平位移如圖6所示。

對比圖4、圖6可以發(fā)現(xiàn)，實測最大位移為24 mm；計算最大位移值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)取值較為接近實際數(shù)值，計算可靠。從表3可以看出，計算連續(xù)墻最大彎矩標準值為481 kN·m，各道支撐的軸力變化也較為均勻，鋼支撐間距3 m，最大軸力標準值約為：677×3=2 031 kN。

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

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

3 圍護結(jié)構(gòu)變形過大工況計算

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

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

圖6 開挖到基坑底計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 報警工況時第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、支撐架設時間及開挖面長度，重新進行建模模擬計算［14］。具體施工步驟如表4所示。

表4 計算工況Tab.4 Calculation Cases

考慮軟化后的土體參數(shù)的變化，進行了標貫試驗，根據(jù)標貫試驗擊數(shù)對比及反復試算，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

由于本文在建模時對圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)均設置只壓彈簧，來實現(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、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計算結(jié)果可以看出，計算最大位移值47.8 mm，計算連續(xù)墻最大彎矩標準值為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，最大軸力標準值約為1 181×3=3 543 kN。

表5 報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。與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)較接近，稍微偏小。其主要原因應該是側(cè)向土壓力為通過強度參數(shù)c、φ值計算的主動土壓力，沒有根據(jù)坑底土軟化情況進行調(diào)整，比實際的土壓力值偏小，但誤差不大，不影響計算分析的定量判斷。

圖9 開挖至坑底圍護結(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)墻的最大彎矩標準值由正常工況的481 kN·m增大至1 012 kN·m，增加110.4%，鋼支撐的最大軸力標準值由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計值3 600 kN。

4.2 常規(guī)方法驗算的不足

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，無法計算此等特殊工況下的支護結(jié)構(gòu)最大位移和內(nèi)力，無法判斷支護結(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方式：明挖順做+地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的典型支護型式基坑進行了施工全過程數(shù)值反演計算；根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮了不同階段的坑底軟化、支撐架設不及時等，并與實測結(jié)果進行對比，較為準確地反映了內(nèi)力和變形的變化情況，該方法解決了常規(guī)設計計算方法與工具很難模擬和準確計算的問題。對特殊工況（變形過大、支護結(jié)構(gòu)開裂等）可以對其進行原因分析、施工過程（超挖、坑底軟化等）模擬以及安全性評價。為其它類似設計提供參考。

通過計算對比分析，有以下幾點值得注意：

⑴ 應按實際施工情況分階段模擬，并根據(jù)監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)進行反演土層彈簧剛度等參數(shù)；當計算地連墻變形形狀及數(shù)值與實測相符時，土層參數(shù)才可認為合理；

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

⑶ 在坑底軟化的情況下，圍護結(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出現(xiàn)局部拉裂縫。但是，首道混凝土支撐仍受壓，同時由于與連續(xù)墻的剛接以及支撐豎向高度較大的影響，導致出現(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)墻的最大彎矩點會比正常的下移，隨著墻底踢腳位移的增大，彎矩越來越大，此時需要復核連續(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??；在坑底軟化或超挖未及時支撐的工況下，則為先增加后減小的趨勢。