地铁车站基坑支护结构模拟及优化研究
摘 要：以明挖法地铁车站基坑支护方法为研究对象，在考虑初始地应力、开挖步骤、地层物理参数诸多因素基础上，采用有限差分软件MIDAS-GTS 对基坑开挖过程进行模拟研究分析。 研究结果表明，采用支撑与地下连续墙体系结构作为支护结构满足工程要求，也可以对支护方案进行优化，使其更具有适用性。
关键词：地铁；车站；基坑支护；模拟；优化
长沙市某地铁车站采用明挖法施工，且沿道路呈“一字”型布置，其长度为 258.562 m；标准基坑宽度为21.1～22.4 m，基坑最宽处（车站东侧端头）为 29.4 m；车站主体基坑深度为24.15～19.87 m；围护结构采用连续墙加内支撑结构形式，第 1 道支撑为钢筋混凝土支撑，其余3 道支撑为钢管支撑；主体结构采用现浇钢筋混凝土箱形框架结构。 车站南侧距离道路约 9 m，周边建筑物距离基坑最近处约25 m。
车站勘察区内揭露地层主要包括：表层为杂填土，主要成分为黏土、建筑垃圾等；其下零星分布第四系全新统淤泥质粉黏土，局部分布第四系更新统粉质黏土、砂、卵石；下伏基岩为断层角砾岩 ，局部见元古界板溪泥（砂）质板岩。
地铁车站深基坑工程作为复杂的综合性岩土工程，其支护方案的确定不仅影响整个工程的施工进度和工程造价，而且作为地下建筑公共设施，其安全性及稳定性极为重要[1]。国内外大量试验及研究表明，基坑支护结构不同对地表沉降及基坑隆起大小均有影响[2-5]。在原设计中，车站采用了支撑+立柱+纵向连梁+横向支撑与地下连续墙的支撑体系，但由于工期极紧，且该支撑体系实际施工操作难度较大，因此特建立有限元模型，分析时仅考虑横向支撑与地下连续墙的支撑体系的可行性，来对原设计进行优化。
1 支护方案选择
地铁车站作为特殊的地下建筑，处于城市中心，地面车辆、人流对施工均存在影响，而且，由于与地面建筑物相邻很近，基坑开挖过程中地面位移对周围建筑物将产生影响，因此对基坑支护方案提出更高的要求。
地下连续墙作为地下建筑基坑支护是比较常用的支护结构，较其他支护结构有更好控制周围地面沉降、基坑变形和变形稳定及可缩短施工工期、扩展地下空间等优点。 地下连续墙常与立杆、支撑、纵向横梁构成支护体系，在工程中被广泛应用。 但也由于不同组合形式的支护体系有不同作用，且施工难易程度、费用高低不同，则对某一特殊工程支护体系可进行优化。
2 三维数值模拟
2. 1 基本假设
为了简化计算，故在满足计算精度要求和可以得到有效结论的条件下，基本假设如下：
1）同一材料均为均质、各向同性；
2）土体为理想弹塑性材料；
3）不考虑土体排水固结；
4）忽略连续墙分幅引起的刚度变化；
5）混凝土材料和钢支撑材料均按线弹性考虑；
6）不考虑支护结构施工对土体的扰动。
2. 2 模型参数确定
模型中岩土和结构部分的具体参数见表1、2。
2. 3 建立模型
车站基坑设计开挖宽度为23.1 m，根据有限元分析可知，基坑开挖对周围土体和建筑物的影响区域大致为3～5 倍开挖宽度，现取有限元模型的宽度为 100 m，8～13 轴线之间的间距为 6 m，取 5 跨进行计算，故模型的长度为30 m，基坑开挖深度为 21.75 m，数值计算模型总高度为57 m。最后，模型整体尺寸为 30 m×100 m×57 m（长×宽×高）。
车站基坑共分5 层开挖 ，每层开挖深度依次为 ：2.85，5.4，5.4，3.7，4.4 m；共采用 4 道支撑，其中第 1 道支撑为混凝土支撑，第 2～4 道为钢管支撑；连续墙厚度为1 m。 MIDAS-GTS 中隧道（基坑）开挖的施工阶段步骤见表3。
建立土体模型时，由于在自重的作用下土体将产生一定的沉降量， 但是地基土在历史上已经沉降完成，故应该将地基土的沉降置零，并计算地基土的自重应力。 使用 MIDAS-GTS 计算模型土体的自重应力云图见图1。
3 计算结果分析
根据2 种支护结构的有限元计算结果可知，支护结构的轴力、弯矩，基坑开挖引起的地表沉降以及坑底隆起等参数值均随着基坑开挖深度的增加逐渐增大。 故比较支护结构的参数值时均以最后一次开挖的结果值为准，见表 4。
3. 1 支撑内力分析
图2～5 分别为 2 种支护结构 4 道支撑最大轴力与弯矩图。
由图2 和表 4 可知，支护结构最大轴力为 473 kN（第1 道混凝土支撑），第 2～4 道钢管支撑均受压力作用，钢支撑的最大轴压力为1 213 kN。
由图3 和表 4 可知，4 道支撑的最大弯矩为 1 366kN·m，最大弯矩出现在混凝土支撑的下边缘侧，这是由于立柱的支撑与混凝土支撑连接在一起，在基坑底部土体隆起的影响下，立柱上抬，提供给混凝土支撑向上的反力，使混凝土的支撑负弯矩值增大。
由图4 和表 4 可知，支护结构最大轴力为 726 kN（第 1 道混凝土支撑）， 第 2～4 道钢管支撑均受压力作用，钢支撑的最大轴压力为1 097 kN。
由图5 和表 4 可知 ，4 道支撑的最大弯矩值为916 kN·m，最大弯矩出现在混凝土支撑的两侧。
对比可知，第 2～4 道支撑的轴力值基本相当，而第1 道支撑在第 1 种支护结构情况下的轴力明显要小于第2 种支护结构所产生的轴力，但是弯矩值却要大于第2 种支护结构所产生的弯矩值。 这说明，在不考虑立柱支撑的情况下，钢支撑受的轴压力变化较小，而第1 道混凝土支撑的轴力和弯矩值变化较大。
3. 2 地表位移分析
由表4 可知，2 种支护结构引起地表 x 方向的位移相差不大。 第 1 种支护结构引起地表 x 方向的最大位移为4.99 mm，第 2 种支护结构为 5.61 mm，都在可控安全范围之内。
3. 3 基坑隆起位移分析
由表4 可知，第 1 种支护结构引起基坑隆起最大位移为37.79 mm，第 2 种支护结构为 37.86 mm。 说明增加立柱、纵向横梁并不能明显减小基坑隆起的位移。
4 结论
通过对比模拟基坑在第1 种支护结构和第 2 种支护结构开挖过程中引起支撑内力、地表位移以及基坑隆起位移，可以得出以下结论：
1）支护结构的轴力 、弯矩 、基坑开挖引起的地表位移以及坑底隆起的位移均随着基坑开挖深度的增加逐渐增大；且 2 种支护结构下的轴力、地表位移以及坑底隆起的位移均在可控安全的范围之内。 第 1 种支护结构下4 道支撑所受最大弯矩要明显大于第 2 种支护结构下4 道支撑所受最大弯矩。 从对比可知，采用横向支撑与连续墙的支护体系基本能满足支护结构的受力、位移要求，可以对原设计进行优化，从而大大缩短工期，简化施工工序，减少成本投入，在保证受力及位移要求下达到快速施工的目的。
2）由于基坑开挖深度较大，建议开挖到开挖面后及时采取支护措施，尤其是开挖到最后一层土体时，由于基坑底部隆起量较大，建议及时施作底板，防止基坑底部土体过度隆起从而导致基坑失稳破坏。
参考文献：
[1] 宋冶 ，高尔祥 ，马德云. 广州地铁 1 号线车站深基坑支护技术述评[J]. 铁道工程学报，1998，59：130-140.
[2] 张克国，李术才，李术忱，等. 明挖法地铁车站围护结构变形模拟与预测研究[J]. 岩土力学与工程学报 ，2001，27﹙S1﹚：3210-3215.
[3] 李辉，杨罗沙，李征，等. 基于 MIDAS/GTS 对地铁站超深基坑空间效应的研究[J]. 铁道建筑，2011（4）：83-85.
[4] 吕蒙军. 地下连续墙支护体系在工程中的应用[J]. 施工技术，2010，39（S）：115-117.
[5] 朱合华. 地下建筑结构[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008：204-206
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