虽【工程技术】 王沛刘彦涛刘岩苗沛 天津地铁车站 基坑围护结构变形与支撑内力分析 一、前言 （二）基坑支护概况 随着我国城市建设规模不断扩大，高层 建筑及地下交通工程建设中面临很多深开挖 问题，特别是在城市地铁建设过程中，有大 量的地铁车站深基坑工程。天津城区地铁车 站基坑开挖深度一般在１８米左右，多数采用 车站主体基坑围护结构采用钢筋混凝土 地下连续墙，连续墙厚８００毫米，标准段地连 墙长３４米。车站主体第一道内支撑采用钢筋 混凝土支撑，车站标准段第二道～第四道支撑 采用直径８００毫米钢管内支撑。地下连续墙与 内支撑支护体系。在施工过程中，基坑内外 土体应力状态的改变会引起土体变形，造成 支撑杆件受力和围护结构变形。天津城区土 钢筋混凝土内支撑材料强度等级均为Ｃ３０，钢 管内支撑选用Ｑ２３５钢。车站基坑剖面图如图１ 所示。 体含水率高、强度低，因此采用不 同的强度指标计算支挡结构受力和 变形，将得出不同的结果。笔者通 过杆系有限元分析方法，采用不同 的强度指标对天津地铁车站基坑进 行模拟计算，然后与现场实际监测 的数据进行对比分析，研究车站基 坑在开挖过程中围护结构变形与支 撑内力变化特性。 二、工程概况及地质条件 （一）工程概况 天津地铁五号线工程某车站总 建筑面积１．６６万平方米，该车站为 地下双层岛式站台车站，车站长度 为２９４．２米，标准段总宽２０．７米，基 坑标准段深１６．７米，盾构井段深 １８．７米，明挖土方ｌ１．１１万立方米。 车站主体采用二柱三跨矩形钢筋混 凝土框架结构，横向柱网尺寸为 ６．９０米＋５．５０米＋６．９０米，纵向柱距 为８．５米。车站主体部分采用明挖法 施工。 图１车站基坑剖面图 量【工程技术】 （三）工程地质、水文地质条件 拟建地铁车站位于天津城区北部平原，场区地 层主要为第四系全新统人工填土层、第１陆相层、 第１海相层、第Ⅱ陆相层和第Ⅲ陆相层。其中，主 要开挖的土层为①ｌ杂填土，层厚２．５米；④２粉土， 层厚３．５米；⑥４粉质粘土，层厚６．５米；⑦粉质粘 土，层厚２米；⑧ｌ粉质粘土，层厚３．０米。该场地 范围内的孔隙潜水主要集中在填土层、第１陆相层 ④２粉土层、第１海相层⑥３粉土层中，该含水层主 要由粉土构成，局部夹粉砂透镜体。第１海相层⑥ ４粉质粘土层及第Ⅱ陆相层⑦粉质粘土层为相对隔 水层。第Ⅱ陆相层⑧２粉砂、⑧２３粉土、⑨２粉土、 ⑨２４粉砂、⑩２粉砂为第一承压含水层。初见水位 埋深为０．６０米～１．３０米。 （四）土体开挖步骤 车站基坑土体按照随挖随撑的原则进行开挖， 其具体工况如表１所示。 三、杆系有限元计算 （一）计算原理 计算采用弹性地基梁法，假定挡土结构为平面 应变问题，取单位宽度的挡土墙作为竖向放置的弹 性地基梁，支撑和锚杆简化为弹簧支座，基坑内开 挖面以下土体采用弹簧模拟，在挡土结构外侧作用 水土压力。考虑土体的力学性质及水平支撑的材料 属性和刚度大小，将弹性地基梁划分为若干单元， 列出弹性地基梁的微分方程式１和式２，用有限元方 法进行求解。 ＥＩ＝粤－ｄ－ｅａ（Ｚ）＝０（ｏ≤ｚ≤ｈ ） （１） Ｚ’ ＥＩ＝ ＋ｍｂｏ（ｚ—ｈ ）ｙ－ｅ￣（ｚ）＝０（ｚ≥ｈ ） （２） ＱＺ 其中，ＥＩ为围护结构的抗弯刚度；ｖ为围护结 构的侧向位移；ｚ为深度；ｍ为地基土水平抗力比 例系数；ｈｎ为第ｒｌ步的开挖深度。 （二）计算参数的选取 本次计算支护结构选取线弹性模型，地下连续 墙及第一层水平支撑为Ｃ３０钢筋混凝土，弹性模量 取３０吉帕，泊松比取０．２；第二层～第四层水平支撑 构件为Ｑ２３５钢管支撑，弹性模量取２１ｏ吉帕，泊松 比取０－３。 作用地连墙的荷载，按照快剪指标和固结快剪 。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。 ＾’ 。ｈ ＿。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。＿。。。－●。＿● 。。。。。。 ７２１ Ｊ￣ ＼ 指标，依据式３和式４分别进行水土合算土压力和水 土分算土压力计算。 Ｐａｋ＝ｔｒａｌ【Ｋ 一２ｃｉ、／ （３） Ｐａｋ＝（ａ￣－－Ｕ ）Ｋ －２ｃｉｘ／Ｋ ＋ｕ （４） 其中，Ｐ 为支护结构外侧，第ｉ层土中计算点 的主动土压力强度标准值（千帕）；ｏｒ 为支护结构 外侧计算点的土中竖向应力标准值（千帕）；Ｋ 为 第ｉ层土的主动土压力系数；ｕ。为支护结构外侧计算 点的水压力（千帕）；ｃ 为第ｉ层土的黏聚力（千帕）。 （三）计算结果分析 本次计算按照表ｌ中的工况１～工况４进行，图 ２～图５为不同荷载作用下的地连墙变形曲线。可以 看出，无论是采用快剪指标还是固结快剪指标计算 土压力，随着土体开挖深度加大，地连墙侧向最大 变形量位置逐渐下移，墙体最大变形均发生在土体 开挖面以下ｌ米左右，图２～图５中最大变形值依次 为９．３４毫米、ｌ６．６１毫米、ｌ１．４７毫米和１６．８３毫米； 不同荷载和不同工况条件下，墙顶水平位移在工况 ２和工况３中均出现向坑外方向变形，但变形量不 大，均未超过１毫米。负二层～负四层支撑随着土 体的开挖，各支撑点坑内方向位移均出现减小趋 势，负二层～负四层支撑点位移减小幅度依次为 ７２％、６２％和２２％。 从图６中可以看出，随着土方的开挖，首层支 撑轴力在工况１条件下，承担轴压力最大，平均值 达￣１Ｊ７１０千牛；而工况２和工况３首层支撑轴力均转 换为轴拉力，最大轴拉力达￣１Ｊ３０２千牛；至工况４首 层支撑轴力转换为轴压力，最大轴压力达到１３２千 牛。首层支撑轴力的变化与墙体的变形相吻合，即 随着土体开挖面下移，首层支撑轴压力呈明显减小 表１ 车站基坑土体开挖工况 工况编号 基坑施工内容 ０ 下挖１．２米后，支设负一层钢筋混凝土支撑。 １ 开挖第一步土方，开挖深度４．５米。 ２ 支设负二层支撑后，开挖第二步土方，开挖 深度为４．３米。 ３ 支设负三层支撑后，开挖第三步土方，开挖 深度为３．４米。 ４ 支设负四层支撑后，开挖第四步土方，开挖 深度为３．３米。 量【 技术】 。１０・０ ０．０ １０．０ Ｅ、 ２０．０ 一 ００・０位移／ｍｍ ‘０ ０ ｒ—ｔ—１—１—— ．，—１—１——ｒ—Ｔ—，—１——ｒ—ｒ—Ｔ—１——ｒ—ｒ—１ １０・ｏ ０－０ １０．０ ２０・Ｏ ０－０位移／ｍｍ ・５．Ｏ 潞 －５．０ ＝＝＝ …一： 夫… 、－ｌ －１０．Ｏ ．１Ｏ．０ ：…工 ， 瓜 Ｆ １Ｌ 快．合算．工况１ ．ｌ ．１５．Ｏ １５．０ 【 ， 工况１ ……・－—●一 快．分算．快 合算．工况２ 快．合算．工况３ －－ ・ －ｊｉ（ 螂 — 快．分算 工况２ Ｒ 快．分算．工况３ ２０．Ｏ 快．合算．工况１ ２０．０ ！．摹…． Ｉ▲ ， 簪 【 ’匣 快．分算．工况４ －２５．Ｏ ・２５．０ Ｌ● ． －－ ・３０．０ ・３０．０ ￡、 ．一 －ｆ ３５．０ ３５．０ 图２ 固结快剪参数合算地连墙变形图 图３ 固结快剪参数分算地连墙变形图 。 Ｏ・０ ０・０ ０－０ ０・０ ０ ０‘０位移，ｍｍ ０．０ １０－０ ０．０ ｏ・０ ｎ０ ２０．０ ３０．０位移，ｍｍ 氍 －５．０ ； －．． … －５．０ ・ ・．．瓷． ．ｌ ・ｌ０．Ｏ ｌ、ｌＩＴ －１０．０ …ｒ．＿．＿＆一 ■ －』＝ ．瓜 ， ｌ……ｆ ……．－—－＿ ．合算．工况１ －两 ＾ 分算．工况ｌ ……・—・一 剪．１５．Ｏ ｌ５．０ － ～ ● Ｅ 、 Ｉ” ’ ｌ … … Ｉ‘‘Ｌ● ．合算．工况２ 、Ｅ ‘＿ 剪．分算．工况２ 型 －—＝－ ．＇ＺＴ．ＺＺ ：Ｚ￣ ．合算．工况３ 合算．工况４ －｝． ２０．Ｏ — 剪．分算．工况３ 剪．分算．工况４ Ｉ五 ２０．０ －－ 【 ’ －● －２５．０ ● ２５．０ ● ‘ ● ● － ・● ｉ ３０．０ ｌ Ｉ ｜ －３０．０ Ｉ｜ ＩＩ ■ ３５．０ —－３５．Ｏ 图４快剪参数合算地连墙变形图 图５快剪参数分算地连墙变形图 Ｊ。。。。。。。 。。。‘ 。。 ‘。。。。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。—— ／ 城市Ｉ７３ 量【工程技术】 ｚ＇ｌ， 毒霉｜ 剿 撩 ０ 蛳 抛 。１ 抛 枷 种 湖 啪 ２ ３ ４ ５工况 ； ＋快剪－分算－ 首层轴力 ｌ ｝ —－・一快剪－台Ｉｔ－ 首层轴力 ＋匿快－分算－ 首层轴力 ＿．－固快－台ｔｔ－ 首层轴力 ８ ｒ ｌ 图６不同条件下第一层支撑轴力比较图 趋势，而墙体顶端由坑内变形向坑外变形转移。因 此，地铁车站基坑首层支撑采用钢筋混凝土支撑结 构更为合理。 如图７所示，随着支撑位置的下移，越靠近基 底位置，支撑所承担的轴压力越大；采用水土压力 分算方法计算出的支撑轴压力明显高于水土压力合 算方法计算的结果，二者数值相差３０％左右。 四、监测数据对比分析 （一）现场监测数据 监测内容主要为地连墙侧向位移和钢支撑轴力 测试，墙体位移采用精度为０．０２毫米，０．５米的滑动 测斜仪进行测量；钢支撑内力采用钢弦式轴力计测 试，传感器精度为０．５％Ｆ．Ｓ。墙体变形曲线以底板 混凝土浇注前为分析节点，支撑轴力以钢支撑为分 析对象。 （二）数据比较与分析 从图８中可以看出，墙体的变形形态与计算结 果相一致，实测中墙顶最大位移为向坑外方向２毫 米；墙身最大变形位置发生在基底以上１．５米处， 最大变形量为１０．６毫米。采用快剪指标进行水土压 力分算，计算出的最大变形量为１６．８３毫米，而采 用水土压力合算计算出的变形结果最大值分别为 １ １．４７毫米（快剪）、９．３４毫米（固结快剪）。 从图９中可以看出，负二层 负四层钢支撑最 大轴压力依次为９７４．９千牛、１２３７．７千牛和１０４９．４千 牛，全过程平均值依次为８２１．７千牛、１ １０１．０千牛和 １０４５．９千牛。从实测轴力看，负三层与负四层支撑 轴力相差５．２６％，说明墙外土压力在一ｌ３米以下不 再增加，维持原状。数值计算方法中，采用固结快 。。。。‘ ‘●＾ －。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 ＿。＾。－＾＿＿－－－－＿。。。 。。。。。。。。。。。。。。。＿－＿＿＿＿、 ７４１ Ｊｌｌ￣ｒ ＼ ｏ １ ２ ３ ４ ５ 支撑序号 ● ； １ ‘—－－一快剪．Ｓｉｔ－支 撑轴力 ＾＼ ＼ —・一快剪．台 支 ＼＼ ＼． 撑轴力 —・－一固快．分ｌｔ－支 撑轴力 ＼、 ＋固快－台算．支 撑轴力 图７不同条件下各层支撑轴压力最大值比较图 剪指标进行水土压力合算，计算出的支撑轴力最 小，各层支撑轴力值依次为２２２４．９２千牛、３０９７．３２ 千牛和４０８２．４千牛；实测值分别占理论值的３６．９％、 ３５．５％和２５．６％。 通过墙体变形理论计算与实测值比较可以得 出，利用快剪指标进行水土压力合算作为墙体外侧 荷载计算出的墙体变形值与实测值较为接近。其主 要原因如下：一方面，车站基坑属于狭长基坑，每 一段土方开挖较快，土体渗透系数较小，土体还没 有完全固结排水，此时的强度指标应该为快剪强度 指标；另一方面，地连墙整体刚度大，变形协调能 力强，因此其实际变形效果小于理论计算值。钢支 撑理论值与实测值存在差异的原因在于，一方面， 墙后土压力分布情况与理论分布不一致；另一方 面，车站基坑支撑安装方式是随挖随撑，当开挖完 成后，墙体已经发生了一定程度的变形，墙后土体 压力会重新分布，因此钢支撑所受的轴力比理论计 算值小。 、 五、结论 通过理论计算，可以得出以下结论：车站基坑 负一层支撑体系随着土方的开挖，其所受轴力由轴 压力转向轴拉力，因此负一层支撑体系采用钢筋混 凝土支撑更利于基坑安全。 实测各层支撑轴力值与理论计算值相差较大， 基坑深度开挖越深，支撑轴力理论值越偏于安全， 墙后土压力的分布形式和土方开挖方式是主要影响 因素。从理论计算数值与实测值的比较来看，采用 水土压力合算方法，利用固结快剪指标计算结果最 接近实测轴力。 虽【・： 技术】 ０ 。２０ ４０ ６０ ８０ １ 监测次数 ｌ０－０ ０・０ 。－０ ０ ０ 。位移／ｍｍ １４００．０ 写蛋Ｌ 置 ｌ２００．Ｏ ● 峨 一二 Ｚ １叩ｕｕ －墨－－：，８００．０ ＴＵ 颦 ＇－４ ６ｏ０．０ ４００．ｏ （ ， 一 。 Ｖ 一＇ ●Ｆ－ｌ 一＋第＝层支撑轴 力 第三层支撑轴 力 第四层支撑轴 力 ・ ｆ ＾． ＋疆 。 ＋工况３ ２ｏ０．０ ＋ｌ 、—－ 一工况４ ０．０ Ｅ Ｉ ｆ； ｒ ， ； ＋浇注混凝 士底板前 图９ 不同工况支撑轴力实时变化曲线 元 … 【９】中国建筑科学研究院．ＪＧＪ１２０—２０１２￣筑基坑支护技术规程 【Ｓ】．北京：中华人民共和国建设部，２０１２． ｊ｜ｒ ｒ 『中图分类号１ ＴＵ７５３ 『文献标识码１ Ｂ 【文章编号】１００５—２７８Ｘ（２０１４）０８—００７ｌ一０５ 『收稿日期１ ２０１４年７月 图８不同工况墙体变形曲线 『基金项目１天津市建交委科技项目《天津市城市轨道交通工 程重点建设环节质量控制研究》（２０ｌ２－６）；天津市建交委科 地连墙变形形态实测值与理论计算值相吻合， 墙顶均｝｝Ｉ现向坑外方向位移，与支撑轴力分析相对 应。利用水土压力合算方法，采用快剪强度指标计 算地连墙的变形值最接近真实值；若采用固结快剪 指标，其理论计算变形值要小于真实值。 ｆ参考文献１ 技项目《天津市城市轨道交通工程重点建设环节质量安全管 理研究》（２０１ｌ－３８）；天津市建交委科技项目《天津特殊土层 的渣土改良与盾构掘进控制技术研究与工程应用》（２０ｌ３— ２６）；天津市建交委科技项目《复杂环境下盾构施工控制技术 研究与应用》（２０１３—１７）；天津市高等学校科技发展基金计划 项目《天津软土地基强度参数综合原位测试研究》（２０ｌ２０９ｌ１） 『作者简介１王沛，天津城建大学地质与测绘学院；刘彦涛，天 津市建设工程技术研究所；刘岩、苗沛，天津路桥建设工程有 限公司 【１１应宏伟，杨永文，胡安峰，等．软土某深基坑开挖的实测性状 和环境效应分析『Ｊ１．土木工程学报，２０ｌ】（Ｓ２）：９０—９３． 『２１武朝军，陈锦剑，叶冠林，等．苏州地铁车站基坑变形特征分 编辑：段斌 析…．岩土工程学报，２０１０（Ｓ１）：４５８—４６２． 『３１杨有海，武进广．杭州地铁秋涛路车站深基坑支护结构性状 分析…．岩土力学与工程学报，２００８（Ｓ２）：３３８６—３３９２． 『４１胡安峰，张光建，王金昌，等．地铁换乘车站基坑围护结构变 形监测与数值模拟『Ｊ１．岩土工程学报，２０１２（Ｓ１）：７７—８１． 『５１刘杰，姚海林，任建喜．地铁车站基坑围护结构变形监测与 数值模拟ＩＪ】．岩土力学，２０１Ｏ（Ｓ２）：４５６—４６１． ［６】．深大基坑施工对邻接地铁工程的影响分析【Ｊ】．地下空 间与工程学报，２０ｌ０（Ｓ１）：ｌ４３２—１４３７． ｆ７１霍润科，颜明圆，宋战平．地铁车站深基坑开挖监测与数值 分析『Ｊ１．铁道工程学报，２０１ ｌ（５）：８１—８５． 【８】刘国彬，王卫东．基坑工程手册【Ｍ】．北京：中国建筑工业出 版社．２０ｌ０． 。 ’。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。’’’’’ ’’。’ 。’。 。。。。。。。。—’— ／ 城市Ｉ７５
