摘要：地铁车站建设越来越密集，与建筑物较近的地铁车站深基坑变形研究显得越来越重要。以南昌市某地铁车站深基坑工程为依托，对比分析理正深基坑计算软件与PLAXIS有限元软件采用HS本构模型时的计算结果，表明有限元数值分析采用ＨＳ模型时比较贴合基坑开挖工程实际；比较钻孔灌注桩与混凝土墙做基坑与建构筑物之间隔离墙的计算结果，得出建构筑物临近地铁车站时地铁车站基坑设计要点，为后续临近建构筑物地铁车站基坑设计提供参考。
关键词：地铁车站；基坑；建构筑物；有限元模拟
1引言
随着经济快速发展及城市化水平的提高，地铁建设规划越来越密集，老城区在既有建构筑物周边开挖基坑的情况将越来越多，车站基坑施工引起既有建构筑物变形过大可能造成工程事故或工程纠纷，对临近建构筑物车站基坑开挖进行研究有助于地铁车站的基坑设计及施工。目前保护车站周围的建筑物有两种常用的方法。一种是车站基坑开挖前设置槽壁加固、止水帷幕或者隔离桩等主动控制建构筑物位移，另一种是车站基坑开挖时对基坑及建构筑物进行监测，实时动态反应反馈建筑物情况并进行注浆加固处理。以某地下车站深基坑工程为研究对象，利用有限元分析软件进行研究，模拟不同工况建构筑物变形，为类似基坑设计提供一些参。
2工程概况
某车站是一个地下２层标准车站，车站长211.4ｍ，宽19.7ｍ，基坑深约17ｍ。车站从上往下主要为１－２杂填土、２－１粉质粘性土、２－４中砂、２－５粗砂、２－６砾砂、５－１强风化泥质砂岩、５－２中风化泥质砂岩。距离车站4.82ｍ位置有一栋三层混凝土住宅，混凝土框架结构，桩基基础，桩长12ｍ。车站采用地连接加内支撑围护结构体系。
3基坑计算及分析
3.1理正深基坑建模分析
3.1.1计算模式及模拟顺序围护结构按照平面问题进行分析，采用增量法模拟基坑施工过程，计入变形及后支撑对围护结构受力的影响。本基坑采用明挖法施工，建构筑物按照15ｋＮ每层进行模型加载（车站三层共计加载45ｋＮ），基坑双层段开挖、支撑和回筑的步骤如下：（１）施工地连墙及冠梁，构件强度达到设计强度时开挖至第１道支撑下0.5ｍ，架设第１道支撑。按照同样规律架设第２、３道钢支撑，继而开挖土体至基底。（２）开挖到基底后，浇筑混凝土垫层、结构底板。底板达到设计强度后，拆除第３道钢支撑（防水保护层总厚200ｍｍ）。（３）浇筑地下２层侧墙、中板，混凝土强度达到设计强度后，拆除第２道钢支撑。（４）浇筑地下１层侧墙、顶板，混凝土强度达到设计强度后，拆除第１道支撑。
3.1.2计算结果
第１～３支撑最大轴力为1009ｋＮ、2452ｋＮ、1845ｋＮ，坑内最大弯矩为935.5ｋＮｍ，坑外最大弯矩为585ｋＮｍ，最大剪力为547.2ｋＮ，基坑最大沉降量为18ｍｍ，基坑最大水平位移为13ｍｍ。
3.2PLAXIS建模分析
3.2.1本构模型PLAXIS软件中内置的本构模型有摩尔库伦模型和Hardening-S0il模型。摩尔库伦模型采用常刚度参数模拟土层，可较快的预估变形结果。Hardening-S0il模型为高级土体模型。土体硬化模型为双曲线弹塑性模型，形成于剪切硬化和压缩硬化。根据文献，剪切硬化与压缩硬化分别模拟主偏量加载及各向同性加载主压缩的不可逆，基坑开挖时应对加载模量和卸载模量分别定义，以更好的贴近工程实际。采用软件内置的Hardening-S0il模型进行模拟，以核实Hardening-S0il模型与实际的差异。
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3.2.2计算参数及工况选取车站基坑标准段（19.7ｍ）进行分析。计算模型如图４所示，模型大小竖直方向为４０ｍ，水平方向为７０ｍ，地面超载按２０ｋＮ／ｍ２考虑，建筑物超载按照45ｋＮ／ｍ２。模型底部及左右分别采用固端约束与水平约束。计算中土体采用硬化土模型，地下连续墙、混凝土支撑和钢支撑均为弹性模型。基坑不同深度位置位移呈现不同的规律。基坑水平位移由于支撑作用显现为抛物线状，靠近建构筑物侧水平位移偏大。水平位移最大值为9.7ｍｍ；由于本工程地下连续墙入土深度较大且嵌入中风化泥质砂岩中，地表沉降在各个开挖阶段均呈现出抛物线型，最大沉降量为17.6ｍｍ。根据上述计算结果，采用Hardening-S0il模型计算基坑周边水平位移最大值为9.7ｍｍ，地表沉降最大值为17.6ｍｍ，与理正深基坑计算结果基本吻合。
3.2.4设置钻孔灌注桩后基坑开挖PLAXIS计算结果为减少基坑开挖对周边建筑物影响，在基坑与建筑物之间设置一排钻孔灌注桩，采用800＠1000进行布置。采用PLAXIS建模进行有限元分析，其余条件不变，钻孔桩按照刚度折算为0.6ｍ的板结构，施工顺序与理正深基坑一致。由图７可知，车站靠近建构筑物土体变形发生明显变化，水平位移由于钻孔桩与地连墙的挤土效应得到很好的控制，数值为5.3ｍｍ；基坑造成的地表沉降往建构筑物方向靠拢，地表沉降变形由原来非标准抛物线变为标准抛物线型，地表沉降最大值为12ｍｍ。综上所述，没有采取措施时，基坑水平变形及地表沉降均较大，在车站与基坑中基坑地表沉降中间设置钻孔桩后，水平位移及地表沉降得到了有效的控制。基坑开挖过程由于土体卸载，基坑后侧土体有向基坑滑动的趋势，根据上述计算可知设置隔离桩能有效降低基坑开挖对周边建构筑物影响。基坑与车站建构筑物的隔离桩设置一直属于概念设计范畴，设置钻孔灌注桩或混凝土墙到底哪一种效果更好呢？针对同样工况设置混凝土墙进行了研究。
3.2.5设置混凝土墙后基坑开挖计算结果为对设置隔离桩措施形成对比，在基坑与建构筑物相同位置设置刚度大的混凝土墙，水泥土弹性模量取30000000（ｋＮ／ｍ２），泊松比为0.2，重度取25ｋＮ／ｍ３，施工顺序与理正深基坑一致。由图９可知，车站靠近建构筑物土体变形发生明显变化，水平位移由于混凝土墙的隔断效应，水平位移得到很好的控制，其最大值为２ｍｍ；不同开挖阶段地表沉降变形由原来非标准抛物线调整为标准抛物线型且往建筑物中间靠拢，基坑地表沉降最大值为４ｍｍ，对周边基本没影响。根据计算结果可知，刚度大的混凝土墙对基坑与建构筑物的隔离效果比钻孔灌注桩好。
4结语
（１）基坑有限元分析时，采用Hardening-S0il模型计算结果与增量法计算结果一致，比较符合工程实际。（２）基坑与相邻建构筑物之间设置隔离桩可有效隔断基坑与建构筑物的联系，降低基坑开挖对周边建构筑物的影响。隔离桩时设计时，宜选取刚度大、隔水效果好的方案。（３）城市地铁车站基坑开挖过程中，周边环境复杂，施工风险高，此类基坑设计时需综合考虑相关风险，采取主动设置隔离措施与现场动态监测反馈相结合的方式保证基坑开挖时建构筑物的安全。（４）有限元模拟计算时参数的准确性是精确模拟工程实际的关键，由于相关结构构件刚度纯粹只考虑了混凝土刚度，钢筋刚度未能准确输入，计算结果有一定的局限性。
参考文献：
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论文作者:许效峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/2
标签：基坑论文; 车站论文; 模型论文; 位移论文; 混凝土论文; 地表论文; 刚度论文; 《基层建设》2019年第9期论文;