刘锐，徐奎，储朱敏 （中铁四局集团城市轨道交通工程分公司，安徽合肥230022）
0 前言
李欣等[1]采用Midas/GTS进行了深基坑支护体系研究，结果表明对于深基坑采用双环形内支撑体系优于单环形，14m深度采用两道支撑可行，但对于支撑道数的设计，需要详尽分析。田沛恒[2]通过有限元计算深基坑动态施工过程，结果表明内支撑体系存在空间效应，在支撑平面布置时需要加强阳角。陈昆等[3]通过ABAQUS对比了不同内支撑体系对深基坑的变形影响，环梁内支撑的支护效果优于直梁。白晓宇等[4]通过有限元模拟与现场监测，探讨得到对于青岛地区基坑，围护桩、钢支撑与锚索结构组成的支护体系能有效控制基坑变形，有很好的实用性。王岩[5]依托佳木斯市某深基坑，利用FLAC3D进行数值模拟指出增大排桩桩长能一定程度减小排桩变形和周围土体沉降，但存在有效长度，因此设计时需要考虑经济性。沈奕锋[6]针对南京鼓楼区河西公共服务中心深基坑进行支撑体系研究，结果表明钻孔灌注桩+内支撑的支护体系可以有效控制基坑变形，维持基坑稳定。刘美麟[7]以天津地铁6号线25个车站进行了大量研究，指出改善内支撑道数是控制基坑围护结构变形与墙后地表最大沉降最有效的措施。继之皓[8]通过数值计算分析了地震作用下环形支撑的动力响应，结构表明采用环形内支撑结构能对土体自由振动产生一定的约束作用。刘建磊[9]模拟分析了排桩+内支撑支护体系在基坑施工过程中的变形和内力规律，指出内支撑的截面对支撑内力变化影响较弱，因此可以在保证工程安全的情况下，适当调整第二层及第三层内支撑的截面尺寸。李嵩[10]研究了深基坑组合支护结构，运用多个软件进行实例计算，结果表明桩+撑+锚组合支护结果可以很好地应用于成都膨胀土地区。
已有的研究表明，组合式支护结构比较适用于深大基坑，但是对于超大异形深基坑的支撑体系的研究还不足，因此本文依托船政文化城站进行超大异形基坑支撑体系研究。
1 工程概况
船政文化城站位于马尾区区内港口路与君竹路交叉口，沿港口路东西向布置，车站总长为202.2m，标准段宽20.3m，有效站台长度为118m，宽11m。地下三层岛式车站，车站负一层为市政地道，两端接市政地道；负二、三层为地铁车站，负三层两端接盾构区间。车站小里程端为双线盾构始发，大里程端为双线盾构接收。如图1～图2所示，车站基坑主要采用明挖法施工车站基坑长202.2m，标准段宽22.3m，基坑扩大段宽24.2m，弧形基坑半径40.8m，三层车站部分开挖深度为24.8m，弧形站厅部分开挖深度为18.5m。
图1 船政中心站基坑平面示意图
图2 船政中心站基坑剖面示意图
2 数值模拟
2.1 计算模型
本文暂不考虑多基坑开挖的相互影响，为简化计算，将大型基坑拆解为三个单独基坑进行支撑体系研究。采用GTS/NX进行计算，土体本构使用修正摩尔库伦模型，考虑到结构实际尺寸及边界效应的影响，模型尺寸分别为240m×宽 230m×高 75m、240m×宽230m×高75m和190m×宽180m×高75m，具体如图3～图5所示。设置工况一，其支撑结构如图6～图8所示，小里程基坑采用桩+锚+内撑组合结构，计算中将桩等效为地连墙，圆形基坑采用地连墙+双圆环内撑组合结构，大里程基坑采用地连墙+内撑组合结构，设置有地连墙作为支护的工况二为对照组。
图3 小里程基坑模型
图4 圆形基坑模型
图5 大里程基坑模型
图6 小里程基坑支撑体系模型
图7 圆形基坑支撑体系模型
图8 大里程基坑支撑体系模型
2.2 计算参数
各层土体及结构体参数取值见表1、表2。
土体参数表 表1
3 基坑变形分析
将计算结果进行汇总并绘制位移曲线。小里程基坑、圆形基坑和大里程基坑各施工步下最大地表沉降、坑底隆起曲线如图9～图20所示。由图9和图11可以发现，对于小里程基坑，基坑开挖后，周边地表沉降特征曲线趋势呈现为先增大后减小的抛物线，这主要是因为随着基坑开挖深度增大，围护桩后土压力不断地增大，桩外土体由于变形协调，从而使得周边地表沉降表现出了抛物线形状。尽管两种工况的位移规律相近，但是产生的数值不同，工况一下的坑外地表最大沉降为1.51cm，工况二最大沉降为2.56，设置减小竖向位移41%，说明内撑结构、锚索锚杆等措施对于控制地表沉降有相当的积极作用。
图9 小里程基坑坑外地表各施工步下竖向变形曲线
图10 小里程基坑坑底各施工步下竖向变形曲线
图11 对照组小里程基坑坑外地表各施工步下竖向变形曲线
图12 对照组小里程基坑坑底各施工步下竖向变形曲线
图13 圆形基坑坑外地表各施工步下竖向变形曲线
图14 圆形基坑坑底各施工步下竖向变形曲线
图15 对照组圆形基坑坑外地表各施工步下竖向变形曲线
图16 对照组圆形基坑坑底各施工步下竖向变形曲线
图17 大里程基坑坑外地表各施工步下竖向变形曲线
图18 大里程基坑坑底各施工步下竖向变形曲线
图19 对照组大里程基坑坑外地表各施工步下竖向变形曲线
图20 对照组大里程基坑坑底各施工步下竖向变形曲线
由图10和图12可知，基坑开挖后，坑底土层均表现出了回弹变形。这主要是因为基坑开挖导致卸载产生应力释放，并且随着开挖深度增大，隆起值增大。尽管两种工况的位移规律相近，但是产生的数值不同，有内撑下的坑底隆起最大值为0.23cm，无内撑工况最大隆起值为0.5cm，说明内撑结构、锚杆与锚索对于控制坑底隆起有一定作用。
由图13和图15可以发现，对于圆形基坑，基坑开挖后，周边地表沉降特征曲线趋势呈现为先增大后减小的抛物线，这主要是因为随着基坑开挖深度增大，围护桩后土压力不断地增大，桩外土体由于变形协调，从而使得周边地表沉降表现出了抛物线形状。同样地，尽管两种工况的位移规律相近，但是产生的数值不同，工况一坑外地表最大沉降为0.4cm，工况二坑外地表最大沉降为1.32，内撑结构减小竖向位移70%，说明双圆环内撑结构对于地表沉降有相当的约束作用。
由图14和图16可知，基坑开挖后，坑底土层均表现出了回弹变形。这主要是因为基坑开挖导致卸载产生应力释放，并且随着开挖深度增大，隆起值增大。尽管两种工况的位移规律相近，但是产生的数值不同，有内撑下的坑底隆起最大值为0.5cm，无内撑工况二最大隆起值为1.4cm，圆形基坑的支护结构减小坑底隆起64%，说明内撑结构包括竖向立柱对于控制坑底隆起有很好的作用。
由图17和图19可以发现，对于大里程基坑，同样地，基坑开挖后，周边地表沉降特征曲线趋势呈现为先增大后减小的抛物线，这主要是因为随着基坑开挖深度增大，围护桩后土压力不断地增大，桩外土体由于变形协调，从而使得周边地表沉降表现出了抛物线形状。尽管两种工况的位移规律相近，但是产生的数值不同，工况一坑外地表最大沉降为1.51cm，工况二坑外地表最大沉降为4.27，内撑结构减小竖向位移65%，说明多道内撑结构对于控制基坑地表沉降有相当的作用。
由图18和图20可知，基坑开挖后，同样地，坑底土层均表现出了回弹变形。这主要是因为基坑开挖导致卸载产生应力释放，并且随着开挖深度增大，隆起值增大。尽管两种工况的位移规律相近，但是产生的数值不同，有内撑下工况一的坑底隆起最大值为1.1cm，无内撑工况二最大隆起值为2.2cm，圆形基坑的支护结构减小坑底隆起50%，说明内撑结构对于控制坑底隆起有较好的作用。
4 围护结构变形分析
统计围护结构变形结果并汇总为曲线图，整理可得到各基坑各工况下支护桩（地连墙）水平变形曲线如图21～图26所示。三个基坑的支护桩（地连墙）都表现出了指向坑内的水平变形，总体上随着基坑开挖作业面的先增加再减小。三个基坑的支护桩（地连墙）最大变形发生在基坑开挖完成工况下，最大水平位移为分别为1.42cm、0.47cm和1.15cm。总体上相对变形（相对于基坑尺寸）较小。
图21 小里程基坑边墙各施工步下水平变形曲线
图22 对照组小里程基坑各施工步下围护桩变形曲线
图23 圆形基坑各施工步下地连墙变形曲线
图24 对照组圆形基坑各施工步下地连墙变形曲线
图25 大里程基坑各施工步下地连墙变形曲线
图26 对照组大里程基坑各施工步下地连墙变形曲线
由图21和图22可以发现，对于小里程基坑，工况一围护桩的水平位移总体上随着开挖深度增加再减小，位移出现减小不仅仅是因为受到内支撑与冠梁（腰梁）的约束，也跟深度有关，在基坑短边深度10m处均出现最大水平位移，工况二的最大水平位移出现在基坑长边处的桩顶。工况一的最大水平位移为1.42cm，工况二的最大水平位移为3.2cm，内撑结构减小边墙位移57%，说明对于控制边墙位移，内撑结构、锚杆与锚索贡献极大。
由图23和图24可知，对于圆形基坑，地连墙水平位移总体上随着开挖深度增加再减小，位移出现减小不仅仅是因为受到内支撑与冠梁（腰梁）的约束，也跟深度有关，工况一在深度17m处均出现最大水平位移，工况二在深度13m处出现最大水平位移。工况一的最大水平位移为0.47cm，工况二的最大水平位移为1.3cm，内撑结构减小边墙位移64%，说明对于控制边墙位移，内撑结构是非常必要的，且本支护体系中双圆环结构是作用明显的。
由图25和图26可以发现，对于大里程基坑，边墙位移总体上随着开挖深度增加再减小，位移出现减小不仅仅是因为受到内支撑与冠梁（腰梁）的约束，也跟开挖深度有关。工况一的最大水平位移为1.15cm，出现在短边深度20m处，工况二的最大水平位移为4.76cm，出现在短边深度13m处，内撑结构减小边墙位移76%，说明对于控制边墙位移，内撑结构是极有效的。
5 结论
本文采用大型有限元软件MIDASGTS/NX，将船政中心基坑分为三个基坑进行施工模拟计算，将深大基坑所使用的主流支护结构进行组合分析，完成了基坑开挖施工动态过程模拟，对比分析了基坑有无设计混合支护结构组成的支撑体系的数值计算值，主要结论如下:
①小里程、圆形基坑和大里程基坑开挖后，周边地表沉降特征曲线趋势呈现为先增大后减小的抛物线，且随着施工步骤增加而持续增大，这主要是因为随着基坑开挖深度增大，围护桩后土压力不断地增大，桩外土体由于变形协调，从而使得周边地表沉降表现出了抛物线形状；
②小里程、圆形基坑和大里程基坑开挖后，坑底土层均表现出了回弹变形。这主要是因为基坑开挖导致卸载产生应力释放，并且随着开挖深度增大，隆起值增大，基坑坑底隆起随着施工持续增大，表现出了动态变化过程及时空效应，因此在实际基坑工程中，应减小基坑的暴露时间，及时支护，当基坑开挖见底之后，应尽快施工地板结构，并在此期间应加强监测，确保基坑安全；
③小里程、圆形基坑和大里程基坑开挖后，边墙位移总体上随着开挖深度增加再减小，总体上在基坑深度1/2处出现最大水平位移，位移的变化不仅受到内支撑与冠梁（腰梁）影响，也跟开挖深度有关，基坑所采用的桩锚组合结构、双圆环支撑体系与内撑结构均能有效减少支护桩（地连墙）位移，并对其受力起到控制作用；
④小里程基坑采用的围护桩+冠梁（腰梁）+内撑+锚索+锚杆组合支撑结构，圆形基坑采用的地连墙+双环撑支护体系，大里程支撑采用的地连墙+内撑结构均有效控制了基坑开挖的坑外地表沉降和坑底隆起与边墙位移，证明现场所使用的支护结构是非常必要且作用明显的。
