摘  要：结合某地铁深基坑工程实际，采用FLAC3D 数值模拟软件建立基坑开挖三维数值模型，考虑基坑的实际开挖工序，对深基坑工程在开挖过程中的变形特征进行了数值模拟计算，得到了不同工况时基坑变形场，根据变形场结果分析得出了基坑各位置变形特征及最大水平、沉降变形量。

关键词：地铁站；深基坑；开挖变形；数值模拟

 

      随着经济建设的发展，地下空间已在世界各地大中城市得到了充分利用，深基坑开挖与支护工程不断增多。 但由于水文地质条件、基坑岩土性质等不确定性因素，加上设计与施工管理不善等原因，深基坑变形失稳事故时有发生，给国家造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。 国内学者对基坑开挖变形问题做了大量的研究。 丁勇春，王建华等通过对上海软土地区地铁车站基坑实测数据的分析，探讨了基坑围护结构变形、坑外土体变形及地表沉降的一般规律^［1］；陈娟，李夕兵等在大量统计研究监测数据的基础上， 探索了深基坑变形机理和发展趋势^［2］。 余新明，钱梅芳通过分析基坑变形的实测数据，分析了基坑变形的主要影响因素^［3］。 李琳，杨敏等根据大量深基坑的实测结果分析了基坑开挖深度与最大侧移及其位置的关系，分析了基坑开挖深度和所采用支撑系统相对刚度之间的关系^［4］。

      在总结前人研究的基础上，结合某地铁站深基坑工程，利用 FLAC3D 数值模拟软件，建立基坑开挖三维数值模型，对深基坑开挖过程中变形特征进行了数值模拟研究，对工程现场施工及控制变形具有一定的指导意义。

 

      武汉市某地铁站地处长江右岸一级阶地，为长江与东侧沙湖、东湖间的连接段，西距长江约400 m，东距沙湖约1 000 m。 车站为标准地下两层车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。基坑开挖较深，等级为一级基坑，开挖平均开挖深度 16 m。 车站站台为地下二层柱岛式站台，车站外包总长332.5 m，标准段外包总宽20.7 m，总高 12.66 m；车站总建筑面积为1 6821 m²，主体建筑面积为14 200.6 m²。车站东侧有供电局和新建高层高档住宅小西侧规划公交用地，现状为临街 2～4 层砖混结构商铺，周围为居民生活区。

      根据岩土工程勘察资料知， 场区表层分布人工填土（Q^ml），其下依次为第四系全新统冲积层（Q₄^al）粉土（3-1a）、黏土（3-1）、粉质黏土（3-2）、粉质黏土和粉土及粉砂互层（3-5）、粉细砂（4-2），下伏基岩主要为志留系中统坟头组（S_2f）泥岩（20a）和泥质粉砂岩（20e），车站标准段基坑深 15.7 m 左右。

      基坑主体围护结构采用钻孔灌注桩，桩径 1 000mm，采用 C30 混凝土。 围护结构的水平受力体系采用钢管内支撑方案，设3 道内支撑，采用Ф600，t=16的钢管支撑，钢管材料采用 Q235 钢。

 

      采用有限差分软件FLAC3D， 对该地铁站深基坑建立三维数值模型。 充分考虑基坑平面、支护结构、地面附加荷载以及基坑开挖情况，对基坑北部标准段部分建立模型， 进行有限差分数值模拟计算^［5-6］。

      基坑开挖深度为16 m，当前开挖长 70 m，基坑宽20.7 m。 根据基坑开挖影响长度方向为开挖深度的3～4 倍，深度方向为开挖深度的 2～4 倍 ，取基坑沿长边方向延伸约50 m，基坑两侧短边各延伸约 45m，基坑底部以下取 54 m，到达下部含碎石粉质黏土层，对计算结构不会有大的影响，即模型尺寸为 120 m×110 m×70 m（长×宽×高）。 如图 1 所示。

      根据岩土工程勘察报告，计算过程中，采用的岩土体力学参数如表1 所列。

      根据现场基坑开挖和支护的施工步序，模拟施工开挖过程分4 个工况完成，即第 1 步为基坑开挖至4 m 处，进行支护完成后；再进行第 2 步开挖至 8m 处，支护完成后进行第 3 步开挖至 12 m 处；支护完成后进行第4 步开挖直至基坑设计深度。 计算中将每一个开挖步序作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程。 基坑开挖过程中土体及支护结构的变形计算模拟结果如图2～9 所示。

      在基坑开挖初期，基坑水平位移多发育在基坑两侧桩体位置，位移发育朝向基坑开挖自由面。 因基坑右侧存在高楼荷载， 右侧桩体水平位移达到3.085 cm，略大于左侧桩体水平位移 2 cm，如图 2 所示。 基坑沉降同样最大存在于基坑两侧桩体，沿桩体分布，两侧桩体沉降量基本一致，最大值达到6.080cm。 基坑底部产生隆起变形明显，最大值达到 2 cm，如图3 所示。 随着基坑的开挖，基坑水平位移继续发育。此时右侧桩体水平位移仍然大于左侧桩体，最大值达到3.250 cm；而左侧桩体最大水平位移略有减小，最大值为 1.500 cm，如图 4 所示。 基坑深度加大，基坑沉降变化明显；此时最大沉降多集中于基坑两侧桩体，沿桩体分布；但在施加高楼荷载位置处发育最大沉降，最大值达到 1.717 cm，如图 5 所示。 表明随着基坑的开挖， 基坑右侧高楼发生沉降明显。基坑进一步开挖， 基坑水平位移继续发育。 此时右侧桩体水平位移最大值达到3.809 cm，如图 6 所示。基坑最大沉降仍在施加高楼荷载位置处发育，沉降值达到5.418 cm，如图 7 所示。 基坑的开挖至设计标高，基坑水平位移发育达到最大。 此时右侧桩体水平位移最大值达到5.522 cm；如图 8 所示。 基坑最大沉降位于施加高楼荷载位置处，最大值达到 6.776 cm；基坑底部产生隆起，隆起达到 35 cm，如图 9 所示。

总体上讲，随着基坑的开挖，地下连续桩体水平位移要小于基坑周边地表沉降位移，基坑开挖初期水平位移发展较快，随着基坑开挖深度的增加，水平位移增长加剧； 基坑周边地表沉降同样随着基坑的开挖，加剧沉降。

 

      通过对某地铁深基坑开挖过程中变形特征的数值模拟研究，主要获得以下几点结论：

      （1）采用FLAC3D 软件， 考虑基坑实际开挖步序，数值模拟计算所得的基坑变形结果，基本能够较好的模拟开挖过程中的基坑工程变形特征， 能够为基坑实际施工过程提供一定的参考价值。 但考虑施工中的诸多不确定性因素， 施工过程中应该注意加强现场变形监测工作， 重视对于基坑水平位移及周边高大建筑物的沉降的监测。

      （2）根据数值模拟的结果， 采用地下连续桩与多层钢管支撑作基坑支护体系，开挖至设计深度时，基坑变形量最大值达到6.776 cm， 在基坑变形允许控制范围之内，基坑处于稳定状态。