摘  要： 针对西安地区长乐坡车站的具体工况，应用大型数值分析软件 FLAC3D 对其开挖支护过程做了模拟研究，分析了开挖支护过程中引起的墙后土体沉降、墙体水平位移、不同连续墙模量以及支撑轴力变化的规律，研究结果表明：1）墙后土体地表最大沉降发生在墙后大约 5 米处，并形成一沉降槽；2）墙体最大水平位移大约发生在墙高 16 米处，预应力的增加是由于开挖引起土体变形导致的。

关键词： 基坑开挖；地铁车站；FLAC3D；沉降；水平位移

 

      随着城市化建设的飞速发展，城市交通面临极大的考验。为解决城市交通拥挤现象，各大城市纷纷修建城市地铁，在西安地铁车站随处可见。地铁车站在施工过程中所面临的基坑开挖是一个极其复杂的力学过程。如何在开挖过程中保证周边建筑物能安全平稳的发挥其功能，一直以来是广大学者研究的热点论题。以往研究的方法主要有等值梁法、太沙基法、山肩邦男法、弹性梁法和弹塑性法等。本文从数值模拟的角度出发，运用大型有限差分软件FLAC3D，对西安地区地铁车站基坑开挖进行模拟，分析了墙后土体水平位移、连续墙、横支撑轴力对基坑内外土体位移的影响。

 

      长乐坡车站位于长乐东路和规划长十路路口，车站沿长乐路东西向布置，车站为地下两层岛式车站，车站设计起止里程为 YDK27+549.192～YDK27+759.892，车站中心里程为 YDK27+618.692。车站基坑长度为 214.7 米，基坑标准段宽 18.7 米，深 16.7～17.0 米，基坑内设钢管支撑，基坑竖向设置三道支撑，水平间距 4.0 米，三道横撑的埋深分别为 3 米、8 米、13 米。地层从上到下依次为杂填土、黄土状土、粗砂、卵石土、粉质粘土，埋深分别为 3.56 米、2.71米、3.58 米、5.82 米、34.33 米。地下水位埋深为 16 米。

 

      由于本基坑是一个窄而长的矩形，根据对称性，本文选取其四分之一进行计算分析，根据工程经验和有限元计算结果，为了减小边界效应的影响，基坑开挖影响宽度为基坑开挖深度的 3～5 倍，影响深度约为开挖深度的 2～4倍。据此本文所确定的模型尺寸为长 150 米、宽 50 米、高50 米，开挖深度为 17 米，连续墙嵌入基坑底部以下土体 6米，为精确分析，模型局部进行加密，最小网格间距为 1米，模型共划分 144000 个单元，153648 个节点。基坑围护桩采用地下连续墙（实体单元）模拟，支撑采用 beam 单元模拟。由于土体刚度与地下连续墙的刚度相差很大，其变形模量也差异较大，故其接触面的模拟也会影响最后的模拟结果，因此合理的接触面连接方式就尤为重要。在FLAC3D 里面有三种连接方式：

      ①自由界面：界面节点变形与土体变形无关，相当于完全理想光滑界面。

      ②固结界面：界面节点变形与土体变形同步，没有相对滑动的可能。

      ③相对同步变形：界面间相当于有一弹簧，弹簧的刚度取决于土体与支护结构刚度的平均值。由于地下连续墙的刚度与土体的相差很大，且土体与墙面有一定的粘结力和摩擦力，其接触面既不是自由界面也不是固定界面，而是可模拟为有一定相对变形的界面，因此在模拟地下连续墙与土体界面是采用第三种界面。

      计算模型见图 1。

      本文所采用的地层参数见表 1。

     本次开挖总共分四次开挖，第一次开挖 4 米，然后在埋深 3 米处施加横支撑，并附加 0.25MPa 的预应力；第二次开挖到埋深 9 米处，在埋深 8 米的位置施加横支撑，并附加 0.35MPa 的预应力；第三次开挖到埋深 14 米的位置，后在埋深 13 米处施加横支撑，并附加 0.35MPa 的预应力；最后一次开挖到埋深 17 米处，即坑底，整个模拟结束。

 

      由于长乐坡车站地处道路繁华路段，车站周围有很多大型建筑物及重要保护对象，所以有必要对其水平位移和沉降量进行分析。以确保周围建筑物的安全。

      3.1 墙后土体水平位移分析 通过对基坑开挖的模拟，提取了墙后土体沿垂直于基坑边缘的距离与水平位移的关系曲线，如图 2 所示。

      由图 2 可以看出，第一次开挖时，由于没有施加横支撑，开挖引起土体卸荷，墙内形成临空面，墙后土体在土压力的作用下向坑内运动，所以表现出上部水平位移较大，沿基坑深度方向逐渐减小的趋势，最终趋于稳定；第二次开挖时由于在 3 米处施加了横支撑，所以上部土体的水平位移增大的趋势有了明显的减小；在开挖第三次后，可以看出土体的最大水平位移发生了转移，大概在 16 米的位置，这是因为在第三次开挖后，施加横支撑产生了与第一道横支撑一样的效果，同时两者支撑土体的效果叠加后就形成了如图所示的位移曲线；第四次开挖后的曲线就很好的说明了这一点，三道横支撑效果的叠加形成了开挖 17米后的曲线形态。

      3.2 墙后地表沉降分析 图 3 为沿基坑纵向不同断面上的土体地表沉降曲线，可以看出，墙后土体的最大沉降不是发生在墙后，而是在墙后大约 5 米处，这是因为墙与土体间建立了接触面，保证了墙与土体共同变形，而墙的弹性模量较土体要大很多，所以相对而言发生的沉降就较小，所以靠近墙体的土体发生的沉降也相对较小，但远离墙体的土体因为受到基坑开挖的影响较小，所以也表现出较小的沉降量，在这种情况下，墙后就会出现一个沉降槽，如图所示；同时，随着基坑纵向距离的增加，沉降量在逐渐减小。

      图 4 表明，随着埋深的增加，沉降量有不同程度的减小，同时最大沉降量也有所前移，表现为沉降槽向前推移，这是因为随着埋深的增加，横支撑起到了明显的抑制土体位移的效果，所以导致土体的沉降槽有所前移；埋深 14 米所表现出来的曲线形态是因为三道横支撑都已施加完毕，对土体的抑制作用比较明显，相对而言，墙后较近土体的沉降减小的不是很明显，从而呈现出如图所示的曲线；埋深 17 米的曲线形态有些隆起，这是因为已经到了基坑底部，由于坑底的回弹比较明显，抵消了因开挖而引起的沉降，最终表现出隆起的形态。

      3.3 坑底隆起量 从图 5 中可以看出，坑底的隆起量随开挖深度的增加而增大，而且在同一开挖深度处，远离基坑边缘的沉降大，靠近基坑边缘的沉降小，这是因为在开挖较浅的位置土体的回弹模量相对较小，从而表现出土体的隆起量较小，而随着开挖深度的增加，土体的回弹模量也在增加，最终表现出隆起量随开挖深度增加而增大的态势；靠近基坑边缘的隆起量小是因为有连续墙的存在，连续墙与土体之间建立了接触面，从而抑制了土体的变形，导致此处的隆起较小。

      3.4 不同连续墙下的位移分析 本文模拟了 C20、C30、C40 （它们的弹性模量分别为：2.55 ×10⁴MPa、3 ×10⁴MPa、3.25×10⁴MPa）三种混凝土的连续墙支护对开挖引起的位移的影响，主要分析了墙后的地表土体沉降和墙体的水平位移，如图 6、7 所示。

      从以上两幅图中可以看出，土体和墙体的位移都随连续墙模量的增大而减小，土体和墙体的最大变形都发生了变化，就是说模量越大土体和墙体的变形越小，这与以往的研究结果是一致的。

      3.5 不同轴力下分析 本文在模拟横支撑的过程中给每根梁单元都施加了预应力，具体为：埋深 3 米处，预应力为 0.25MPa；埋深 8 米处，预应力为 0.35MPa；埋深 13 米处，预应力为 0.35MPa。而在基坑开挖完成后，每一层的预应力都有所增长，具体为：埋深 3 米处，轴力增大为 0.51MPa；埋深为 8 米处，轴力增长为 0.66MPa；埋深为 13 米处，轴力增大为 0.79MPa。这是因为在开挖的过程中形成临空面，墙后土体发生向坑内的变形，从而挤压横支撑，最终导致其轴力值增大。

 

      本文通过大型数值分析软件 FLAC3D，对长乐坡车站进行模拟研究，分析了连续墙后土体、连续墙、基坑底部的沉降量、水平位移和隆起量以及不同连续墙模量对基坑土体变形的影响，得到了以下结论：

      ①第一次开挖时墙后土体的最大位移出现在墙的顶部，这是因为没有施加横支撑，随着开挖深度的增加，横支撑也施加上，土体的最大位移发生下移，当第四次开挖完成后，墙体的最大水平位移发生在墙高大约 16 米的位置。

      ②通过对墙后土体沉降分析，得出墙后地表土体的最大位移不是出现在墙后，而是在距墙后一定距离处（大约5 米的位置），这是由于接触面发挥了作用，使得靠近连续墙的土体变形和连续墙协调一致，而远离连续墙的土体由于受到开挖的影响较小，所以表现出较小的沉降，最终形成一个沉降槽。

      ③在模拟了三种强度下的混凝土连续墙后，发现它们对开挖引起的土体变形影响是：土体和墙体的位移随连续墙模量的增大而减小，这与以往的研究是一致的。

      ④通过对横支撑预应力的数值分析，得到在基坑开挖完后横支撑轴力会随之增大，这是因为在开挖的过程中形成临空面，墙后土体发生像坑内的变形，从而挤压横支撑，最终导致其轴力值增大。