西安作为我国湿陷性黄土地区首次修建地铁的城市，相关设计和施工经验相对不足，某地铁车站开挖深度接近30 m，为该地区在建基坑工程之最，本文基于MIDAS/GTS对该工程不同开挖方式引起的基坑位移的空间效应进行研究，对类似工程的设计和施工具有重要的现实意义。
1 工程概述
1.1工程概况
西安地铁一号线某地铁车站位于西安市交通主干道交叉“十”字路口西侧，交通繁忙、车流量大，基坑周围建筑物密集，对工程施工影响很大。
该车站为地下四层岛式站台，总长度为135.60m，有效站台中心里程为YDK26+002，有效站台中心轨面高程为399.588 m。车站标准段宽21.00 m，开挖深度为27.10 m;盾构井段宽29.50 m，开挖深度为28.20 m。车站平面图及基坑关键监测点如图1所示。
1.2支护方案
支护结构采用钻孔灌注桩+内支撑方案。基坑标准段支护桩直径120 cm，桩心间距160 cm，嵌固深度为9 m;盾构井段支护桩直径130 cm，桩心间距150cm，嵌固深度10 m。自上而下设五道支撑和角撑，分别位于－1.2 m，－6.7 m，－11.7 m，－17.7 m，－24.2m。第一道支撑采用800 mm×800 mm混凝土支撑，其余各道采用直径600 mm、壁厚16 mm的钢管内支撑。盾构井段各道斜支撑水平间距2.5 m，标准段第一道支撑水平间距6 m，第二至第五道钢支撑水平间距3 m。第二至第五道钢支撑施加预加轴力分别为200 kN，600 kN，600 kN，800 kN。
1.3地质条件
该场地地貌属浐河三级阶地，工程地质条件复杂，土层厚度分布不均，各层土性见表1。
车站工程建设影响范围内为地下潜水，稳定水位埋深25.50～26.50 m，水位年变幅2 m左右。主要含水层为中更新统冲积粉质黏土2～3层粗砂夹层，该层透水性好，赋水性强。
1.4开挖方案
采用明挖顺做法施工，遵循“快挖快支”的原则，每次开挖至各道支撑中心线附近，及时架设支撑。盾构井段采用分层开挖方式;标准段采用台阶式开挖(方式Ⅰ)，纵向有适当放坡，长度约为6 m。同时模拟了标准段分层开挖(方式Ⅱ)，每层厚度3 m，与方式Ⅰ对比分析。
2 建模与计算
2.1基本假定
为了简化计算，基本假定如下:①同一种材料为均质、各向同性;②土体为理想弹塑性材料;③桩和支撑为弹性体;④根据等截面刚度原理［1-3］，支护桩利用公式H=ηD/L(式中:H为连续墙的厚度，η为经验修正系数，D为支护桩的直径，L为桩心间距)简化为连续墙(盾构井段厚度为0.85 m，标准段厚度为0.75 m);⑤考虑桩土间摩擦;⑥不考虑土体的排水固结;⑦不考虑由于支护结构施工对土体扰动的影响。
2.2建立模型
结合工程实际情况，利用对称性，采用一半模型进行计算。基坑开挖的影响深度为开挖深度的2～4倍，影响宽度为开挖深度的3～4倍［3-4］，确定模型长为170 m、宽为160 m、高为90 m。
采用位移约束条件:地表面为自由面;模型四周约束法向水平方向位移，底面约束(x、y、z)3个方向位移;支护桩底约束竖向位移。本构模型采用Mahr-coulomb屈服准则。土体采用实体单元，腰梁及支撑采用梁单元，连续墙采用板单元，墙土间施加Goodman接触单元。基坑两侧为公路和住宅小区，考虑到最不利的因素，在距基坑边缘3 m处施加均布荷载20 kPa。
有限元计算模型如图2所示。
2.3开挖过程模拟
在深基坑工程开挖施工的每一个阶段，某一层支撑架设之前，该点处支护结构已产生了很大的变形，而支撑架设后该点的变形量是很小的。即支护结构的位移多在支撑架设之前已经发生，并影响支护结构的内力。所以在模拟开挖过程时，要考虑这种支撑架设前的变形，为此各道支撑架设前后要分为不同工况。另外周边地面超载引起土体固结在基坑开挖前早已完成，因此周边地面超载应在基坑施工开始时施加［5］。
在MIDAS/GTS中，通过荷载步、钝化和激活单元来实现基坑的开挖与支护。首先建立原始地层模型，施加位移约束边界条件，在初始地应力条件下进行迭代计算使计算模型达到初始应力平衡，并使初始位移归零，模拟基坑开挖前土体的固结沉降。然后按照深基坑施工的顺序钝化开挖部分土体，激活上一步开挖土体部分的支撑单元和单元预应力，再钝化下一步开挖部分土体，如此继续，直至结束。
3 结果分析
3.1水平位移
从图3可以看出，由于基坑上部土体强度较大，位移较小，在桩和钢支撑预加轴力的共同作用下使地表附近靠近桩顶处土体的水平位移值为负值，即土体向坑外产生了位移。随着开挖深度的增加，主动土压力也随之增大，且基坑下部土体受湿陷性影响，强度迅速减小，位移急剧增大。又由于桩入土部分对底部位移的约束作用，导致水平位移曲线从上至下呈中间大两头小的“弓”型，最大值约在2/3H深度处。在离地表一定距离的同一深度处，随着离坑壁距离的增加土体水平位移值逐渐减小，形成多个滑移面，这是两段水平位移的共性。
盾构井段最大水平位移都出现在长边和短边的中部，实测最大值分别为12.5 mm和7.3 mm，计算最大值分别为15.5 mm和8.4 mm。标准段开挖方式Ⅰ引起的水平位移除两段交界拐角处位移较小外，纵向同一深度处水平位移基本相同，最大水平位移实测值为16.1 mm，计算值为17 mm。两者实测值与计算值基本吻合。但与软土地区基坑位移控制标准0.1H%或30 mm相比，两段位移值约为0.05H%，均较小。
对比发现，基坑盾构井段开挖深度大于标准段，但前者最大水平位移小于后者，这是因为盾构井段开挖总是先于标准段，且两者交界处及时架设支撑，则盾构井段可近似看做一个长宽尺寸较小的封闭基坑。而标准段是一个长条形基坑，说明基坑位移受其几何尺寸影响较大，支护结构存在空间效应。
开挖方式Ⅱ引起的水平位移在两段交界拐角处存在显著的空间效应，抑制了邻近区域的位移发展。随着离基坑拐角距离的增加，空间效应逐渐减弱，在基坑中线处最弱。因此同一深度最大水平位移出现在标准段中部，这与方式Ⅰ不同。
方式Ⅱ最大水平位移值为20.2 mm，大于方式Ⅰ。这是由于在相同开挖宽度情况下，后者每步纵向的开挖几何尺寸小于前者，说明基坑位移受开挖面的空间几何尺寸影响。所以合理控制开挖面的空间几何尺寸，能有效减小基坑位移。
3.2地表沉降与坑底隆起
图4显示，在靠近坑壁处，局部土体向上隆起，这是由于桩土间摩擦和桩顶向坑外产生的水平位移共同作用引起的。之后沉降值先增大再减小，呈“勺”形。受支护桩水平位移影响，沉降最大值出现在各边中部。盾构井段长边最大沉降值小于短边，这是因为短边受地面超载影响较大。以标准段中部CJ4为例，最大沉降值出现在离坑壁约16.0 m处。开挖方式Ⅰ引起的最大沉降实测值为11.4 mm，计算值为12.5 mm，方式Ⅱ引起的最大沉降值为14.4 mm，后者大于前者，说明支护桩水平位移增大，地表沉降也随之增大。
从图5可以看出，由于开挖解除了土体的自重应力，坑底土产生回弹，在开挖面上产生显著的隆起现象。盾构井段最大隆起量出现在基坑中部偏两段交界处;标准段纵向隆起规律基本一致，横向呈“M”型，即在支护桩下端出现踢脚现象。两段交界支护桩附近的隆起量最大，这是因为两段开挖深度不同，交界处又无支护桩约束盾构井段土体侧向位移，使该处产生较大应力集中。
开挖方式Ⅰ引起最大隆起量实测值为21.2 mm，计算值为35.9 mm，方式Ⅱ引起最大隆起量为39.5mm，两者中部隆起相近，而后者踢脚值略大。实测值与计算值有一定差别，这是因为坑底土体复杂，计算参数取值不够准确，说明坑底隆起主要受坑底土体弹性模量影响，支护桩水平位移主要影响桩底踢脚值。
4 结论
1)计算和监测结果表明，与其他地区相同支护条件下的基坑位移规律类似，基坑最大位移约为0.05H%，远小于软土地区基坑位移控制标准0.1H%或30 mm。说明一方面黄土自承作用较大，另一方面增大支护结构刚度也有效限制了黄土湿陷性引起的附加位移。所以在湿陷性黄土地区基坑支护结构设计中要综合考虑这两方面的影响，实现工程安全、经济。
2)对比盾构井段和标准段基坑位移可知，基坑位移受其几何尺寸影响很大，即基坑变形存在显著的三维空间效应，所以对基坑工程进行三维分析是很有必要的。
3)对于长宽尺寸较小的方形基坑可采用分层开挖方式，可适当增加每层开挖厚度;对于长条形基坑可采用台阶式开挖方式，可有效减小基坑位移。在相同开挖宽度条件下，每一步开挖纵向与竖向的几何尺寸的合理比值，还有待进一步研究。
参考文献
［1］杨雪强，刘祖德，何世秀.论深基坑支护的空间效应［J］.岩土工程学报，1998，20(2):74-78.
［2］愈建霖，龚晓南.深基坑工程的空间性状分析［J］.岩土工程报，1999，21(1):21-25.
［3］熊保林，王希良，路春娇.高边坡预应力锚索格子梁加固系统三维有限元分析［J］.铁道建筑， 2010(2):67-70.
［4］刘健航，侯学渊.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997.
［5］李云安，张鸿昌，糜崇蓉.深基坑工程变形控制及其影响因素的有限元分析［J］.水文地质工程地质，2001(4):1-5.
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