第４０卷第１期 ２０１４年２月 兰州理工大学学报 Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１４ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 文章编号；１６７３－５１９６（２０１４）０１－０１０８－０６ 某地铁车站深基坑变形规律数值模拟及优化 朱彦鹏，吴意谦 （兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州７３０Ｏ５０） 摘要：以兰州市地铁１号线一期工程世纪大道车站深基坑工程为依托，介绍该工程拟建场区的周边环境、水文地质 条件以及支护结构选型．根据工程特点将其分为４个典型工况，运用ＦＬＡＣ３Ｄ建立三维数值模型对基坑开挖的标 准段进行数值模拟计算，旨在研究“钻孔灌注桩加内支撑”这一支护结构在兰州地区地铁车站深基坑工程施工中的 变形规律并分析其水平位移、钢支撑轴力及其周围土体的沉降规律和沉降影响范围．根据支撑位置的不同及其对 深基坑变形的影响，对该基坑工程的支护设计方案进行优化．与原方案对比，优化方案在控制变形等方面有一定的 改善． 关键词：地铁车站；深基坑；变形；优化 中图分类号：ＴＵ４７Ｏ．３ 文献标识码：Ａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ０１１ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｏｆ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ＺＨＵ Ｙａｎ—ｐｅｎｇ。ＷＵ Ｙｉ—ｑｉａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉ．ａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈ．，Ｉｍｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｓｈｉｊｉｄａｄａｏ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ ｓｕｂｗａｙ １＃ｌｉｎｅｓ ｆｉｒｓｔ—ｓｔａｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ａｓ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ’Ｓ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓ，ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｅｔｕｒａｌ ｔｙｐｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｗａｓ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｆｏｕｒ ｔｙｐｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｄｅｅｐ ｆｏｕｎ— ｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ａｔ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｓ ｃｈｏｏｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂｏｒｅｄ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｉｏｒ ｓｕｐｐｏｒｔ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ＦＩ ＡＣ３Ｄ，Ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ， ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔ，ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｌａｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｓｐｈｅｒｅ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｓｏｉｌ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｗａｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ．Ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｄ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒ— ｆｏｒｍａｎｅｅ ｉｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ；ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｏｐｔｉｍｉｚｅ 随着中国经济的飞速发展，城市人口急剧增长， 既要保持支护体系和基坑自身的稳定，又要保证周 边建筑物和地下管线的安全使用，这就对车站深基 坑的设计和施工提出了更高的要求：必须能限制周 围土体的变形．因此，正确分析、预测坑周土体的变 形规律具有重要的实际意义． 中国即将迎来地铁工程及地下空间综合开发的 高潮．目前全国建设地铁城市２Ｏ余个，其中包括西 安、兰州等湿陷性黄土地质条件下的城市＿１］，与国内 外一些已建成投人使用地铁车站的城市地质条件差 异极大．学者［２Ｉ ］对地铁车站深基坑的稳定性及围护 结构变形规律做出了许多研究成果，但在湿陷性黄 道路交通的问题日益严重，开发地下空间诸如地铁 的建设是缓解大城市交通拥堵的有效手段．地铁车 站一般位于客流量集中、周围建筑物密集的繁华地 段．地铁车站深基坑的平面尺寸、开挖深度及其暴露 时间的增大均极易导致周围土体位移，产生较大的 地面沉降，这都给其深基坑支护的设计与施工带来 了巨大的难度和风险，使之成为一个极为复杂的综 合性岩土工程问题，也是当前研究的热点和难点［ ． 收稿日期：２Ｏ１２－１２—２８ 作者简介：朱彦鹏（１９６０一），男，甘肃宁县人，教授，博导 第１期 朱彦鹏等：某地铁车站深基坑变形规律数值模拟及优化 土地区地铁车站深基坑的设计与施工中，可参考的 经验很少Ｕ－８］，因此开展该地区的相关研究就显得尤 地表人工填土为世纪大道路面路基填土以及路 旁局部人为回填土、弃土，成分复杂，含卵石、粉土、 生活和建筑垃圾等，厚度为０．８～４．１ ｍ，结构较松 散，工程性能差，对基坑坑壁稳定和地面建筑地基有 不利影响，设计中应充分考虑．其下为黄土状土，分 布稳定，厚度０．８～５．０ ｍ，属中压缩性土，可塑状 态，具Ｉ级非自重湿陷性．湿陷性黄土可引起地基承 载力的降低，使变形增大．黄土状土之下为第四系全 新统卵石层，分布稳定，层顶深度３．Ｏ～６．６ ｍ，低压 缩性，中密状态，工程性质较好．下部为第四系上更 新统卵石层，泥钙质弱胶结，分布稳定，低压缩性，密 实状态，工程性质良好． １．３水文地质概况 为紧迫和重要．王场等［９］主要研究了内支撑安装位 置等参数的变化对深基坑变形的影响．本文以兰州 市轨道交通１号线一期工程世纪大道车站为例，利 用有限差分软件ＦＩ ＡＣ３Ｄ对其基坑分步开挖、架设 内撑等施工全过程进行模拟计算，研究车站深基坑 整个支护体系及周围地层的变形规律．利用数值模 拟手段对拟采用的支撑方案提出优化，为兰州地区 地铁车站建设提供相关的技术依据． １工程概况 １．１车站概况 兰州市地铁线路１号线一期工程线路全长 ２６．５３ ｋｍ，布设于主城区内，均为地下线，共设置２０ 个地下车站．世纪大道车站场地地形平坦，位于安宁 区内气候属中温带半干旱大陆性季风气候，较 干旱，多年平均降水量仅２８７．６ ｍｍ，年度分布不 均，一般集中在７～９月．地下水位高出基坑底约１Ｏ ｍ，水位埋深范围６．６９～８．３２ ｍ，地下水位高程为 １ ５２５．４３～１ ５２６．０４ ｍ．地下水位具有由北西向南 东缓慢降低的趋势；主要赋存于２～１０和３～ｌｌ卵 石层中（见图１），属河谷孔隙性潜水，据勘察资料含 水层厚度２ｏ０～３Ｏ０ ｍ．施工期需进行降水，基坑中 区世纪大道银安路下，周边没有重要建筑，仅有少量 民房．车站设计里程为ＡＫ３－Ｆ ９３５．３００～ＡＫ４＋ ２４９．７００，有效站台中心里程为ＡＫ４＋０２２．０００，全 长３１４．４００ ｒｎ，车站宽２１．０～８２．０ ｍ，标准段宽 ２１．６ ｍ．轨面设计高程为１ ５１９．３９０～１ ５１９．７９０ ｍ．车站的主体结构为地下二层，施工场地开阔，标 准段的底板埋深约１７ ｍ，拟采用明挖顺做法施工． 心降水至基坑底面以下１ ｍ，估算降水深度约１１．６ ｍ．结合兰州地区基坑降水经验，建议采用管井法坑 外降水方案． １．４支护结构设计方案 车站设置有４个出人口，车站的西北侧和东南侧分 别设置有４个风亭． １．２工程地质概况 围护结构的选择需根据基坑深度、地层条件、周 围建筑物的变形要求、施工场地、降水条件、围护结 构的工程造价等进行综合比选．车站基坑开挖深度 较深，约１７．３４￣１８．５０ ｒｎ，不适合使用复合土钉墙 支护形式，但钻孔咬合桩及地下连续墙的造价又较 高．结合以前的工程经验，拟采取 ８ＯＯ＠１ ４００钻孔 灌注桩加３道 ６ｏ０钢管内支撑，钢管壁厚最大ｌ６ ｍｍ．支撑位置分别为地下２、８、１４ ｍ处，水平间距３ ｍ．施加预应力值１００、２５０、１５０ ｋＮ．桩间采用１００ ｍｍ厚网喷混凝土．车站主体支护结构剖面图如图 １所示． 车站场地地貌单元属黄河Ⅱ级阶地，位于七里 河断陷盆地内，地层分布稳定，沉积韵律清晰，未发 现有断裂构造发育，高于黄河河水位９．０～１２．６ ｍ． 车站无河流穿过，场地南边距黄河北岸约１ ２６８．３０ ｍ．明挖顺做法施工中，拟建车站地质勘察钻探深度 内地层为：地表分布人工填土（Ｑ ），其下为全新统 的冲积黄土状土（Ｑ４ ）、卵石（ ），底部为下更新 统卵石（Ｑａ）．场地地层自上而下划分为４层，各土 层力学指标见表１． 表１拟建车站场地主要地层的力学指标 Ｔａｂ．１ Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｉｃａ－ ｔｏｒｓ ｏｆｔｈｅｌｏｔ ｚｏｎｅ ２施工过程数值模拟 ２．１选取计算软件 采用美国ＩＴＡＳＣＡ公司研发的ＦＬＡＣ３Ｄ软 件，以便能够准确地模拟分析施工的全过程．因最终 基坑开挖前已完成其降水工程，使地下水水位维持 在基坑底板以下１．０ ｍ，故在模拟中不再考虑地下 水渗流的影响． 兰州理工大学学报 第４０卷 露 。’１．１ 。 １０一 ｌ ／ ｘ ８ｏ。 一一竺 ７ 冠梁二 杂填ｔ 导ｎ ∞一 ８ ８ ． ． 石 Ｅ—＝｛１＝２ 第坝歼挖面—±８■ １１州１ Ｉ莩一， ＿ ｆ，’’ １ ＿二 ２．１ ＝ ｌ … 『 Ｑ … Ｉ ～一 ｌ ，＝ 蓝ｌ：状土 ８ Ｉ 一∞ Ｊ。。ｕ一 ｝ 。。。 晷 、。 口Ｄ ２－１０－３ 口。口 口口。 卵石 型钢嘲檩２｜４５ｃ Ｉ ｎ ６００ｍｍ钢支撑／＝＇１２ 导 一 一‘一 口ｏ ０、 —ｏＯ： ｎ Ｉ ，第 次开挖面 ２—１０—１ ｌ 口。 ， ｏ口。） 卵石 萎 莩：二 一口口０ ｑ ＼ － ： 竺 ｌ 十 ８ ｌ 口０ ０Ｄｄ ２１４钢５ｃ围 榇 ｌ …点撑置 ｌ＼ 謇 星 最 、。 岛 列 Ｄ口 —卜 一 一 口０ 口 １５１ ｊＩ ．， 第；次开挖嘶 口０ ．——。。。× 口口０ 量津一 一 ｌ Ｉ ～、 Ｉ ～ Ｉ：— 量ｎ 一一 口口口。ｄ ３ 卵彳 ．１ １ 一ｌ—ｌ 口。 口０ 口４口 謇 ——刨伽Ｉ ｌＩ …’： ＝一 ｌ＿０—０— 量 ｝ｐ口 ０ ｌ Ｉ 口Ｄ ｌ｛） ０ ）ｏ ７１５０ 【 ７１５０ ７００ ｌ０ ）同 ）０ 口４ ５ ９００ ｉ｝ 口Ｄ １ ６００ 』 ２０２００ ｌ ｌ ６００ 口Ｉ ２３ ４／３０ ｌ 口。 ｌ ＩＩ Ｉｉ ∞ｏ口口０口口 ｏ ＠ ｏ ＠ 口０ 图１车站主体支护结构剖面图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｕｔａｗａｙ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｓｕｂｗａｙ ｓｔａｔｉｏｎ ２．２计算模型 ｎｕｌｌ来实现土体的开挖；采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ本构 依据该工程的实际情况，建立三维数值计算模 模型模拟土体． 型如图２．计算边界的范围大小对模拟结果的精度 ２．４初始应力 有很大的影响，基坑标准段的宽度为２２ ｍ，开挖深 首先要明确土体中各点的初始应力条件和位移 度１７ ｍ．依据圣维南原理，开挖区域一般选开挖尺 条件，建立初始应力场，才能模拟基坑的开挖．对无 寸的３～５倍比较合理，故取８２ ｍｘ２Ｏ ｍＸ４０ ｍ建 限大的地表面，任一水平面和竖直面上剪应力均为 立模型，共产生４５ ６００个单元，５０ １４３个节点．同时 ０，所以土体的初始应力即可定义为距土层表面深度 考虑到基坑周围随机发生的车辆行驶动载及其施工 的函数．若其竖向应力值随纵坐标线性变化，那么水 堆载等因素，基坑周围均布置超载１５ ｋＰａ． 平应力分量即可定义为该点的竖向应力与侧压力系 数的乘积． ２．５边界条件 四周的侧边界为法向方向固定，切线方向自由， 底边边界为固定边界． ２．６支护结构的模拟 利用等效刚度原则，围护结构采用各向同性弹 性模型的实体单元模拟为地下连续墙结构，在兼顾 模拟精确度的前提下，尽量使模拟分析过程简化，墙 图２数值模拟计算模型 体厚度为６５０ ｍｍ．钢支撑采用ＦＩ ＡＣ３Ｄ自带的 ｉＦｇ．２ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂｅａｍ单元，在端头构件处施加一对等大反向的力来 ２．３本构模型 模拟预应力，以便准确地模拟钢管内支撑的实际受 利用ＦＩ ＡＣ３Ｄ进行计算模拟时，采用空模型 力状态． 第１期 朱彦鹏等：某地铁车站深基坑变形规律数值模拟及优化 ・１１１・ ２．７主要施工步骤 施工采用明挖顺做法分层开挖，根据工程特点， 在数值模拟中将施工分为以下５种工况． １）工况１：构筑钻孔灌注桩加喷｝昆凝土支护体 系． ２）工况２：开挖至３ ＩＴＩ深，构筑冠梁，并在２．０ ｍ深处架设第一道钢管内支撑并施加１００ ｋＮ的预 应力． ３）工况３：开挖至９ ｍ深，在８．０ ｍ深处架设 图４开挖完成后整体水平位移云图 Ｆｉｇ．４ Ｎｅｐｈｏ－ｇｒａｍ ｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｆｔｅｒ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ 第二道钢管内支撑并施加２５０ ｋＮ的预应力． ４）工况４：开挖至１５ ｍ深，在１４．０ ｒｒｔ深处架 设第三道钢管内支撑并施加２００ ｋＮ的预应力． ５）工况５：开挖至基坑底部，深度为１７．０ ＩＴＩ． ３支护结构内力分析 ３．１周围地层的应力及其位移分析 坑内土体被开挖后，即打破了土体自身原本具 有的初始应力平衡场，进行内力的重新分布，基坑两 侧的地层有向下沉降的变形．随着基坑开挖深度的 持续增加，坑周土体的竖向位移值也越来越大．基坑 开挖的底部有很明显的向上隆起，基坑底部中点的 隆起值达到最大．基坑两侧地表向下的沉降值则随 着与基坑距离的加大而逐渐降低，直到较远处沉降 值为０，如图３． 图３开挖完成后整体竖向位移云图 Ｆｉｇ．３ Ｎｅｐｂｏ－ｇｒａｍ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｆｔｅｒ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ 在开挖深度不断增加的情况下，基坑周围土体 的水平位移也逐步增大．坑内土体的开挖使得坑壁 的法向约束逐渐被消除，因此导致周围土体向坑内 的位移．前三次开挖中，其水平位移值的变化较快， 是因为内力重分布而引起的较大位移．最后一次开 挖中土体应力基本已达到平衡，所以位移值变化很 小．以上所提到的横向位移值当开挖全部完成后将 达到最大值，见图４．在深基坑的施工中，运用先支 挡再开挖的施工方法，在每下一次开挖前先进行坑 壁的喷射混凝土，其粘结效应可对坑壁土体起到良 好的支护作用． ３．２桩体水平位移分析 ． 灌注桩是深基坑工程中最主要的支护结构，其 变形的大小与基坑的稳定和安全息息相关．基坑开 挖的过程中，起初桩体由于是悬臂开挖，其变形极值 点发生在最上部．随着进一步的开挖，桩体变形呈 “弓”字型，最大位移点逐渐向下移动．当基坑开挖最 终完成时（至１７ ｍ），桩体最大变形为６．８６ ｒｒｌｌＴｌ，变 形趋于稳定，最大位移点大约发生在距离基坑顶部 ｚ／３深度的一１１．Ｏ ｍ处． 图５为各工况开挖加撑并施加预应力后围护体 系的水平位移曲线．模拟计算结果显示，首道内支撑 架设完成后，支护结构最大水平位移约Ｏ．１４ ｎ＇ｌＩＴＩ， 发生于桩顶；第二排内撑架设完成后，支护结构最大 水平位移增大至２．８６ ｍｉｌｌ，发生部位在桩体约一５ ｍ处，桩顶变形约为０．７３ ＩＴｔｍ；当第三层内撑架设 完成后，支护结构的最大水平位移继续增大至５．６１ １ＴｌＩＴＩ，位于桩体埋深约～１０ ｍ处，桩顶变形约Ｏ．９１ ａｒｍ；当第四道内支撑架设完成后，支护结构的最大 水平位移最终增大至６。８６ Ｉ＇１３ＩＴＩ，发生于桩体埋深约 一１１ ｒｆｌ处，桩顶变形约为０．９４ ｍｉｔｔ． 水平位移／ｍｍ ２ ４ ６ ８ Ｏ ５ ｇ １０ ＼ １５ ２Ｏ ２５ 图５支护结构水平位移 Ｆｉｇ．５ Ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ３．３坑边地表竖向沉降分析 深基坑开挖的进程中，周围土体会产生相应的 沉降，见图６．起始悬臂开挖时，沉降曲线呈“三角形 状”，沉降最大值发生在距离坑边不远处；随着支撑 兰州理工大学学报 第４Ｏ卷 距离／ｍ ５ ｌＯ ｌ５ ２Ｏ ２５ Ｅｕｊ＼世蛙 Ｏ，２ ３ ４ ５ ６ ７ 图６基坑周边土体竖向沉降 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ 的架设，新增的沉降曲线分布逐渐变为“抛物线”型， 最大沉降点距坑边有一定距离．模拟分析表明，伴随 着基坑开挖深度的加大，坑周土体的垂直沉降变形 亦逐布增大，且各工况的沉降曲线形态类似．地表的 整体变形规律是距离坑边一定距离处发生最大的沉 降变形，一般位于桩体外侧４～１０ ＩＴＩ的区域，最大 沉降值约为６．６５ ｍｍ．随着距离坑边越来越远，沉 降变形则慢慢减小，最终趋于稳定，其形状类似于勺 形．总体的沉降量并不大，能够满足基坑设计中关于 地面最大沉降的控制要求．灌注桩的顶端则发生了 一定的向上回弹，约１ ｍｍ左右．伴随着开挖深度的 加深，深基坑施工对地表沉降的影响范围也越来越 远，距离坑边达开挖深度２倍的地表也能受到施工 带来的影响，其范围大于２５ １ＴＩ．所以在深基坑施工 过程中，一定要密切注意基坑周边可能要发生最大 沉降的区域，必要时可进行监测预警，防止工程事故 的发生． ３．４钢管内支撑轴力分析 深基坑施工开挖的进程中轴力变化曲线见图 ７．各钢管内支撑的轴力均有明显的增长，而架撑后 各道支撑轴力稍微有一些回弹，然后再继续增长．一 方面架设支撑以及施加预应力起到了效果，另一方 面说明支撑在施加预应力后，由于各种客观因素的 开挖深度／ｍ 图７钢管内支撑轴力 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｕｂｕｌａｒ ｓｔｅｅｌ ｓｕｐｐｏｒｔ 影响，一般会有应力松弛的现象．当开挖至基底时， 轴力变化基本趋于稳定，第一道支撑轴力为１９７．２ ｋＮ，第二道支撑轴力为８６５．９ ｋＮ，第三道支撑轴力 为９４５．３ ｋＮ，说明末道内支撑附近的围护体系变形 相对较大． ４内支撑方案的优化分析 基坑开挖过程中，内支撑的架设位置对围护体 系和周围土体的内力以及变形影响较大，对第一道 及第三道支撑的位置进行调整．第一道支撑位置上 移１ ＩＴＩ，第三道支撑位置下移１ ＩＴＩ，对该地铁车站深 基坑工程的支撑体系做了优化，见表２． 表２新旧方案支撑位置对比 Ｔａｂ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏｒｔ ｔｈｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｌｄ ａｎｄ ｎｅｗ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ＩＴＩ 为了验证优化方案的可行性及合理性，特对新 方案的整个施工过程同样进行一次数值模拟计算， 并与原方案进行对比，分析周围土体的位移场、支护 结构的水平位移大小，为改进后架撑方案的优越性 提供技术论据． 图８是优化前后桩体水平位移沿深度分布的对 比曲线，表３是两方案桩顶、桩体最大位移以及地表 最大沉降的对比．由此可得出，第一道内撑的架设位 置越低，围护结构上部的水平位移值越大，第三道内 位移／ｍｍ ４ ８ Ｏ 暑一ｌＯ 魁 醛一１５ ２０ －２５ 图８两方案支护结构的水平位移对比 Ｆｉｇ，．８ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐ１ａｃ￣ｎｅｎｔ ｏｆ Ｓｌｉｐ＝ ｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｌｄ ａｎｄ ｌｌｅＷ ｓｏｌｕｔｉｏｎ 表３两方案周边土体及支护结构变形值的对比 Ｔａｂ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｆｏｍｍｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｒｏｕｎｄ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｏｌｄ ａｎｄ ｎｅｗ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｍ 第１期 朱彦鹏等：某地铁车站深基坑变形规律数值模拟及优化 撑的架设位置越低，围护结构的最大水平位移值则 会随之减小．优化方案对基坑周围地表的沉降影响 第三道支撑的架设位置越低，围护结构的最大水平 位移就会越小，而内撑位置的微调对地表沉降的影 响不大．因此，在深基坑支护的设计中应适宜的抬高 第一道内撑的位置而降低末道支撑的位置．在数值 模拟计算分析的基础上提出的改进方案不仅满足支 护结构稳定和限制基坑变形的安全要求，且各个典 型变形值均优于原设计方案，提高了基坑的稳定性， 达到了预期的目的． 较小．原方案支护体系顶部水平位移０．９４ ｍｍ，坑 周地表最大沉降６．６５ ｍｍ，支护体系最大位移６．８６ ｍｍ；改进后的方案支护体系顶部水平位移０．４６ ｍｍ，坑周地表最大沉降６．０４ｍｍ，支护体系最大位 移６．７３ ｍｍ．从控制变形的角度来评判，改进后的 方案各方面均优于原设计方案．综上所述，以控制变 形为主，同时兼顾工程造价为优化目标，在数值模拟 的指导下，新方案的设计是安全可行的． 一 ，●．＇＾ ５菇 １）支护结构的水平位移量与施工开挖的深度 紧密关联，当深基坑悬臂开挖至某一深度时，支护结 构的水平位移曲线呈前倾型，桩体上部的水平位移 值最大；随着钢管内支撑的架设、预应力的施加以及 基坑的进一步开挖，支护结构的水平位移曲线逐渐 向“弓”字型转变，发生最大位移的部位也随之下移， 大约在基坑开挖深度的２／３处．坑边最大沉降点距 离坑边有一定距离，离坑边越远，沉降逐渐减小，沉 降影响范围大于２５ｍ． ２）根据数值模拟的计算分析结果，该地铁车站 深基坑开挖施工全过程中，支护结构最大水平位移 为６．８６ ｍｍ，坑周地表最大沉降小于２０ ｍｍ，采用 钻孔灌注桩加钢管内支撑的方案是安全可行的． ３）深基坑支护的内支撑体系中，第一道支撑的 架设位置越低，支护结构顶端的水平位移值就越大； 参考文献： ［１］刘国彬，王卫东．基坑工程手册［Ｒ］．２版．北京：中国建筑工业 出版社，２００９． Ｅ２３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，２０１０，３１（８２）：２２－２８． ［３３白名洲，许兆义，时静，等．复杂地质条件下浅埋暗挖地铁车 站施工期地面沉降量ＦＬＡＣ３Ｄ分析［Ｊ］．岩石力学与工程学 报，２００６，２５（ｓ２）：４２５４－４２６０． ［４２刘勇，冯志，黄国超，等．北京地铁工程深基坑围护结构变 形研究口］．地下空间与工程学报，２００９，５（２）：２２９—３３５． ［５２王霆，刘维宁，何海健．地铁车站施工对邻近管线影响的三维 数值模拟［Ｊ］．北京交通大学学报，２００８，３２（１）：３２—３５． ［６３刘继国，曾亚武．ＦＬＡＣ３Ｄ在深基坑开挖与支护数值模拟中的 应用［Ｊ］．岩土力学，２００６，２７（３）：２４—２８． ［７３刘均红．黄土地区地铁车站深基坑变形监测与分析［Ｊ３．中国 铁路，２００９（８）：６８—７１． ［８３任建喜，张引合，张琨．西安地铁车站深基坑变形规律ＦＬＡＣ 模拟研究口］．铁道工程学报，２０１１，１５０（３）：９０－９３． ［９］王场，肖昭然，蒋敏敏．地铁车站深基坑支撑系统优化研究 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