0 引言

近年来，为了提高城市公共交通效率，我国城市地铁建设如火如荼，涌现了大量地铁车站深基坑支护工程，随着车站深度日益增大和工程难度的提高，国内出现了若干软弱地层地铁深基坑变形甚至坍塌的工程事故，因此城市核心区的地铁车站深基坑的工程风险也迅速引起关注^[1]。针对这一典型问题，工程从业者在开展地铁车站深基坑支护工程时，必须探明基坑地层条件和周边建构筑物分布，当前地铁车站深基坑支护工程主要的支护手段通常是地连墙和横支撑（混凝土支撑和钢支撑）的组合，地连墙厚度、横支撑的数量等对基坑支护效果影响较大，因此对于深基坑支护方案在实施前必须通过科学有效的安全评价验算^[2-3]。

本文以某地铁车站深基坑支护工程为研究对象，该基坑工程三维尺寸较大，基坑支护方案较为复杂，本文通过深入分析基坑开挖及支护作用下的基坑沉降变形、水平收敛变形、地表影响范围及沉降量、基坑横支撑内力等关键指标，探明该深基坑工程支护方案的有效性和结构安全性，相关结果可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况及支护方案

本例以某地铁车站深基坑支护工程为研究对象，该基坑处于软弱地层中，基坑工程长度和深度均较大，开挖及支护均较复杂，因此必须对基坑支护安全性进行充分论证和验算。此外，地铁车站一般建造在城市核心区，附近建构筑物较多，对结构和地层变形均较敏感，本文通过分析基坑支护作用下的基坑变形、地表影响范围及沉降量等关键指标，对该基坑支护工程安全性进行评价。

基坑平面长×宽=200m×30m，基坑支护结构主要有地连墙、冠梁、混凝土支撑和钢支撑。基坑总深度24m，地连墙深度55m。基坑共设置7道横支撑，第1道和第5道横支撑为混凝土支撑，包含19道横撑和8道斜撑。第2/3/4/6/7道横支撑为钢支撑，包含28道横撑和16道斜撑。混凝土支撑的混凝土强度为C35，钢支撑则为薄壁钢管，第1道混凝土横支撑处设有冠梁，冠梁也为C35混凝土。基坑所在地层包含杂填土、素填土、黏质粉土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉砂、粉细砂、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩等，地下-45m深度以下为凝灰岩的硬岩层，地连墙深入硬岩层中达到10m深度。根据工程经验，基坑周边预留土体尺寸建议取为3倍的基坑深度^[4-5]，以保证计算结果不会受到模型边界尺寸的影响，因此本算例中的模型总尺寸为长×宽×高=350×200×70m。

基坑开挖及支护计算步骤：①初始计算步，进行地应力平衡；②施作完整地连墙，并开挖第1道横支撑上部的第1层土体并施作冠梁和第1道混凝土支撑；③开挖第2层土体并施作第2道钢支撑；④依次开挖土体并施作对应横支撑，直到完成第6道横支撑的施作；⑤开挖第7层土体并施作基坑底板。

图1 基坑平面尺寸示意图                    图2 基坑支护方案示意图

2 计算参数选取

本文采用大型岩土三维有限元计算软件Plaxis3D进行模拟。土体采用实体单元模拟，地层土体采用摩尔库伦本构模型模拟土体物理力学行为，各土层物理力学参数见表1。基坑支护结构均采用结构单元模拟，地连墙采用板单元模拟，冠梁、砼支撑和钢支撑采用梁单元模拟，各支护结构的截面尺寸及物理力学参数见表2。

表1 地层模型参数选取

表2 基坑支护结构物理力学参数选取

以基坑的一个角点中心为原点，建立地铁车站深基坑工程整体计算模型，地铁车站基坑支护方案的整体计算模型如图3所示，地连墙与横撑的总体模型如图4所示，第1道和第2道混凝土横支撑的模型如图5所示，其余钢支撑的模型如图6所示。3 模型建立

图6 全部7道横支撑模型

4 计算结果分析

4.1 基坑变形分析

图7(a)和图7(b)给出了基坑开挖完成后的变形云图，由图可知，基坑长度方向地下连续墙的垂直沉降为4.1mm，水平收敛变形最大值为1.2cm，水平收敛变形最大值位置出现在基坑基底处，这主要是2个原因，一是由于基底的底板刚度不如混凝土和钢支撑的刚度大导致的，二是由于地连墙一次施作后，头部有冠梁和第一道混凝土支撑加固，底部深入基岩变形也很小，地连墙形成类似简支梁的受力状态，因此地连墙中部在缺少足够支撑的情况下水平变形较大。基坑端头井处地下连续墙的垂直沉降为3.6mm，水平收敛变形最大值为7.5mm，水平收敛变形最大值位置出现在基坑深度-19m处。

图7(c)给出了基坑中心断面的结构变形图，由图可知，基坑地下连续墙水平变形主要分布在基坑深度的中间位置，这主要是由于基坑顶部有冠梁和第一道混凝土横撑加固，底部有较厚的混凝土底板加固，基坑深度中间位置虽然有第5道混凝土横撑加固，但由于基坑深度较大，仍然处于加固较为薄弱的区域，因此水平收敛变形较大。

图7 地铁车站基坑开挖支护后变形结果

4.2 周边地表及地层变形分析

图8(a)给出了基坑开挖完成后的基坑周边地表沉降变形云图，由图可知，基坑按开挖工序完成开挖和支护后，地表仍然出现了沉降变形。基坑两侧方向的地表沉降区域大约为基坑边缘向外78m范围内，约为2.8H（H为基坑开挖深度），地表最大沉降变形为4.0mm，最大沉降变形出现在基坑两侧与端头井交界处。基坑端头井两端的地表沉降区域大约为基坑边缘向外46m范围内，约为1.6H（H为基坑开挖深度），地表最大沉降变形为4.2cm，最大沉降变形出现在端头井两端边缘处。

图8(b)给出了基坑开挖完成后的基坑周围地层变形云图，由图可知，基坑开挖完成后周围地层出现了变形，地层沉降变形区域约为漏斗型，且在地下连续墙位置中断，说明地下连续墙有效稳定了基坑深度的地层土体，一定程度上也阻止了地层土从基坑底部向上隆起的趋势。

图8基坑周边地表及地层变形结果

4.3 横支撑受力分析

图9(a)给出了基坑所有横支撑轴力计算结果，其中第5道混凝土横支撑的轴力最大，这与前文所说的基坑深度中间位置的水平收敛较大相一致，说明基坑深度中间位置的加固还较为薄弱。图9(b)给出了第5道混凝土横支撑的轴力图，由图可知，基坑开挖完成后，第5道混凝土横支撑的内力较大，其中混凝土横撑的轴力最大值约为4130kN，轴力最大值出现在距离左侧端头井的第3道横撑处；端头井斜撑的轴力最大值约为3237kN，斜撑主要起到了加固端头井处地连墙的目的，防止地连墙拐角出现收敛变形。

图9(c)给出了基坑开挖完成后的钢支撑轴力图，由图可知，基坑开挖完成后，各处钢支撑的轴力最大值约为930kN，轴力最大值位置出现在距离左侧端头井的第3道横撑处。且各处钢支撑的轴力均小于混凝土横支撑，这主要是由于混凝土横撑的刚度比钢支撑大很多，所以混凝土横撑承受的轴力明显大于钢支撑，同时也表明，混凝土横撑的加固效果要好于钢支撑。

（a）基坑开挖后七道横支撑轴力结果

（b）基坑开挖后第5道混凝土横支撑轴力结果

（c）基坑开挖后钢支撑轴力结果

图9基坑横支撑轴力结果

5 结论

本文以某地铁车站深基坑开挖支护工程为研究对象，并借助Plaxis有限元软件进行数值分析，深入分析了基坑开挖、支护过程中的基坑变形、土体及地表变形、基坑横支撑受力等的规律。通过对地铁车站深基坑开挖支护计算的深入分析，主要得到以下结论：

（1）对于地铁车站深基坑支护工程而言，基坑深度中间位置是需要关注的变形风险重点区域，有条件的情况下，应当适当加密基坑深度中间位置的横支撑数量或者设置更多的混凝土横支撑，以提高加固效果防止出现较大收敛变形；

（2）基坑开挖对地层土体及地表均有扰动，地层土体沉降变形约为漏斗型，地表沉降影响区域约为2.8H（H为基坑开挖深度），如果地表沉降影响区内有其他将构筑物，应当注意对既有建构筑物的不利影响；

（3）基坑横支撑中的混凝土横支撑的加固效果要好于钢支撑，主要是由于混凝土横支撑的刚度较大，但混凝土横支撑的施作速度较慢、成本较高，实际工程中可根据需要设置合适的混凝土横支撑数量，在保证基坑支护安全的条件下兼顾工程经济性。

参考文献：

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