摘　要　采用ＦＬＡＣ^３Ｄ数值模拟软件，结合郑州市某地铁车站基坑工程实际，考虑基坑的实际施工开挖步序，对地铁站基坑工程钻孔灌柱桩与钢支撑支护体系下开挖过程中的变形特性进行了数值模拟，得到了基坑开挖至不同深度时的变形场。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。通过对比分析发现数值模拟结果与前期现场监测结果基本吻合。计算结果表明钻孔灌柱桩与钢支撑结构设计参数能够满足施工要求。

关键词　ＦＬＡＣ^３Ｄ　地铁站基坑　钻孔灌柱桩　钢支撑　变形特性

　　

      由于工程地质条件的复杂性，地下水情况、土体性质的变化等众多不确定性因素的存在，加上设计与施工管理不善等原因，基坑工程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^［１］。地铁车站基坑工程因规模与周边环境特点，其稳定性问题是地铁建设过程中极其重要的安全控制问题^［２］。正确地掌握地铁基坑工程开挖过程中的变形特点，对于控制基坑变形，保证地铁建设安全稳定有着重要的意义。

      基坑变形问题作为基坑工程稳定性研究的重要课题，目前已有大量研究成果。罗智勇通过监测数据，分析上海市地铁嘉善路车站逆作法施工过程中的变形特性及其发展规律^［３］。武朝军、陈锦剑等采用数值分析的方式对苏州乐园站基坑的施工进程进行数值模拟，发现随着开挖深度坑底后围护桩下端出现明显的踢脚现象^［４］。张继清等通过数值计算方法对北京地下直径线侧穿地铁２号线某车站的结构变形进行预测^［５］。

      在总结前人所做研究的基础上，本文采用有限差分数值模拟软件ＦＬＡＣ建立基坑三维模型，模拟钻孔灌柱桩钢支撑支护体系下地铁站基坑开挖过程，对基坑开挖过程中的变形特点进行了研究。现场实测数据与数值模拟结果基本吻合。

 

      郑州市某地铁车站主体结构为地下二层双跨结构，顶板平均覆土厚３．０ ｍ，车站底 板 埋深１６．０７ｍ。根据本站客流量，结构选用１０ｍ单柱岛式站台，车站标准段宽度为１８．７０ｍ，标准段高度１２．９２ｍ，车站总长度１８４．０ｍ。根据基坑规模与周边环境条件，基坑变形控制保护等级为特级。根据岩土工程勘察显示，场地地形较平坦，属黄 河 冲 洪 积 平 原 地 貌。地 面 高 程９１．１４～９１．２５ｍ。由上至下为：人工填土、第四系全新统粉土、粉质黏土、粉、细、中砂及第四系上更新统（Ｑ３）粉土。地下水类型为潜水，含水层岩性主要以粉土、粉细砂为主，局部为中砂。含水层属中等透水层，富水性中等。

      钻孔灌柱桩在郑州市基坑工程中得到广泛采用，本车站主体采用Ф１　０００＠１　４００围护桩与多层直径６０９ｍｍ、壁厚１６ｍｍ（直径６０９ｍｍ、壁厚１２ｍｍ）钢管支撑作基坑支护体系，桩外止水帷幕采用直径６００ｍｍ的三轴搅拌桩，桩长２４．０７ｍ，桩顶标高０ｍ。考虑地面超载２０ｋＰａ，地下水位标高为－２．５ｍ。基坑施工采用分段（３段）、分层（４层）开挖土方，结构采用明挖顺作法施工。现场施工设计支护参数见表１。

      因基坑深度达到１６ｍ，为保证基坑的稳定性及施工安全，基坑开挖过程分为４段，即基坑开挖至第一道支撑底标高２．５ｍ并设置第一道支撑为工况１，开挖至第二道支撑底标高８．２ｍ并设置第二道支撑为工况２，开挖至第三道支撑底标高１２．３ｍ并设置第三道支撑为工况３，开挖至第四道支撑底标高并设置第四道支撑为工况４。

 

      考虑到基坑平面、支护结构、基坑地面超载（模型右侧）以及基坑开挖情况对基坑北部标准段部分建立模型，进行有限差分计算。基坑开挖深度为１６．０７ｍ，当前开挖长６１ｍ，基坑宽１８．７０ｍ。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的３～４倍，深度方向约为开挖深度的２～４倍，取基坑沿长边方向延伸约４９ｍ，基坑两侧短边各延伸约４０ｍ，基坑底部以下取４４ｍ，即基坑模型尺寸为１１０ｍ×１００ｍ×６０ｍ（长×宽×高），如图１所示。土体单元采用块体单元，模型单元总数７　８５８个，节点总数为９　６８７个。模拟计算中，边界条件为模型底部位移全约束^［６］。

      根据岩土工程勘察报告及前期参数反演研究结果，计算过程中，采用的岩土体物理力学参数见表２。

      根据基坑开挖和支护的施工步序，模拟施工开挖过程分四步完成，即第一步为基坑开挖至２．５ｍ处，进行支护完成后，再进第二步开挖至８．２ｍ处，支护完成后进行第三步开挖至１２．３ｍ处，支护完成后进行第四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。根据数值模拟结果，得到随着开挖深度的增加，基坑发育最大变形量图，见图２。

      计算结果表明：基坑开挖过程中，水平位移及地表沉降的发展并不均匀，且空间分布变化较大。由图２可见，随着基坑的开挖，基坑发育沉降位移普遍大于水平位移。对于基坑周边的地表沉降，工况１时有一定的发展，当基坑开挖至工况２时，由于基坑开挖回弹，沉降位移减小，随着基坑的进一步开挖，地表沉降位移继续增大。对于基坑水平位移的发展，其发展趋势异于沉降的发展。开挖初期至工况３时，水平位移发展速度较快，当基坑继续开挖至设计标高时，位移有所回弹。

      由于基坑左右两侧受力情况不同（右侧存在地面超载），基坑开挖初期，右侧围护桩水平位移略大于左侧桩体，随着基坑开挖深度的增加，左右两侧桩体水平位移均逐步增加，但右侧位移仍一直大于左侧。分析其原因是基坑右侧地面超载的存在加大了右侧的位移。

      地表沉降一方面由于土体自重引起沉降，另一方面由于地面超载的存在和地下水的影响，部分地区沉降加大，尤其是地面超载存在处沉降变形最大。随着开挖步序的进行，沉降变形先由于开挖回弹的影响在一定程度上有所减小，然后随着开挖深度的加大，变形迅速增大，开挖深度至设计深度时达到最大值６．７８ｃｍ，基坑底部隆起加剧，最大值达到３５ｃｍ。