罗智勇， 宋林波，丁增志， 成启航， 王海伦

(1. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；2. 西南交通大学，四川成都 610031)

近些年来，随着城市建设的发展，地铁车站基坑工程呈现出显著特点：工程规模越来越大；地铁车站、地下停车场、地下换乘和商业大厅一体化，基坑形状越来越复杂；开挖深度超过20 m的基坑越来越多[2-4]。地铁车站深基坑的施工难度和施工风险不断增加，工程事故屡屡发生，造成了巨大的经济损失和社会影响。

对于城市深基坑工程而言，因其周边环境的复杂性和基坑工程的重要性，基坑支护结构得到高度重视，基坑边坡的稳定性要求均能得到满足。但由于基坑深度较大，开挖卸荷土体方量大，周围环境对变形敏感，因此，基坑工程对变形控制越来越严格。深基坑变形分析一般采用理论方法和数值分析法。

在理论方法中，对深基坑工程中的变形预测和影响因素的研究尤为重要。其中，有学者利用数量化理论，配合BP神经网络，对基坑变形的影响因素进行了系统研究；还有学者通过对现场检测数据的趋势性分析和对小波去噪、极限学习机等模型的使用，总结了基坑变形预测的理论方法。而对于相对复杂或者特殊地基的地下空间深基坑工程，也有不少人对其变形规律进行了总结。这些都为后人提供了有效的科研经验。

而在数值分析计算中，大多以运用有限元分析软件为主，对深基坑在不同工况下的变形特性进行数值分析。例如运用FLAC3D、ABAQUS等软件对开挖过程中的基坑地表沉降、支护结构及周边土体变形等规律进行分析；也可运用PLAXIS3D、GTS等软件对深基坑开挖支护过程进行模拟，从而对工程各个阶段基坑的地表沉降、支护位移、土体变形进行分析研究。这些都是深基坑工程中对变形沉降进行数值分析的有效方法。

本文以成都锦城广场P+R地下停车场项目三线换乘区域基坑为依托，采用国际通用的岩土数值分析软件FLAC3D开展复杂深基坑的变形分析。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

锦城广场P+R地下停车场项目三线换乘区域基坑体系位于成都市环球中心东侧，施工区域长591 m，宽213 m，占地面积约242 000 m2。基坑内规划三条轨道交通线路，分别为16号、18号和29号线，其坑底深度分别为-24 m、-32 m和-41 m。三条轨道线路两两锐角相交形成坑底标高-24 m的三角换乘大厅。换乘大厅区域基坑为坑中坑的形式，最深处达-41 m，基坑周边环境复杂。基坑体系平面形态如图1所示。

图1 基坑体系平面

1.2 工程地质条件

根据工程地勘资料，施工区域表层为第四系全新新统人工填土(Q4ml)，以杂填土为主，其下为全新统冲积(Q4al)黏土、粉土、上更新统冰水冲积、冲积(Q3fgl+al)砂石及卵石土，下伏基岩为白垩系灌口组(K2g)泥岩，泥岩中有灰绿色斑点及条带，局部不均匀夹条带状及团块状石膏及芒硝。工程区内施工期间持续降水，水位低于坑底1 m。地下水的补给类型主要为大气降水补给。地下水主要包括赋存于黏土层之上的上层滞水、第四系松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。

1.3 主要基坑支护结构

锦城广场站既有18号线主体结构为地下四层的岛式车站，南北走向，站台位于地下四层，总长约367.5 m，标准段宽约21.7 m，底板埋深约32.0 m。采用现浇钢筋混凝土框架结构形式。

基坑支护结构主要包括围护桩、钢支撑、格构柱、预应力锚索。围护桩均为φ1200@1800 mm的钻孔灌注桩，采用C35级混凝土。不同开挖区域分别具有不同的桩长和锚固深度。桩顶施作冠梁用以减小支护结构的变形。

支撑采用φ609 mm，壁厚16 mm的钢管支撑，为Q235B级钢。不同开挖区域分别具有不同的支护情况。预应力锚索均采用M30级水泥砂浆作为灌浆材料，间距1.8 m，自由端头施作围檩用以减小支护结构变形。不同开挖区域分别具有不同的支护情况。

2 数值计算模型

综合考虑实际工程的复杂性、周边环境的敏感性、数值计算精度、计算速度等影响因素，建模范围主要包括16号线、18号线、29号线基坑和三线所围成的三角换乘区域基坑。三维实体模型尺寸为516 m×423 m×60 m。对三维实体模型进行离散处理，网格划分完成后，模型总计2 900 994个单元，507 542个节点。

主体结构的楼板和外墙采用FLAC3D内置的壳单元模拟，结构柱、结构梁、冠梁、支撑、格构柱和围檁采用梁单元模拟，围护桩采用桩单元模拟，预应力锚索采用锚索单元模拟。基坑体系三维数值模型和结构空间位置如图2、图3所示。

计算边界条件采用位移边界，底部约束全部位移，侧面约束相应正向位移，切向位移不约束。

综合考虑研究区内土体的性质，将地层简化为硬塑黏土层、中密卵石土层和中风化泥岩层。根据工程地勘资料并结合地区计算经验，各地层的物理力学参数如表1所示。

既有18号线结构，楼板和侧墙混凝土强度等级为C45，弹性模量E=33.5GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2500kg/m3。围护桩混凝土强度等级为C35，钢筋等级为HPB300，桩体配筋为32φ25 mm，弹性模量近似取值为E=31.5GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=2500kg/m3。钢支撑采用Q235B级钢，弹性模量E=200 GPa，泊松比v=0.2，密度ρ=7850kg/m3。预应力锚索，对于6束15.2 mm的1 860级钢绞线预应力锚索，弹性模量取值为E=183.1GPa。对于4束15.2 mm的1 860级钢绞线预应力锚索，弹性模量取值为E=186.8GPa。

根据工程施工顺序，总计分为4个计算工况。

3 计算成果分析

3.1 18号线主体结构位移

基坑开挖完成后，主体结构有最大合位移约2.14 mm，位于18号线主体结构与换乘区域基坑北端相交处，如图4所示。其中，18号线主体结构的第一层楼板最大水平位移约2.12 mm，位于18号线主体结构与换乘区域基坑北端相交处。18号线主体结构的第五层楼板最大回弹位移约1.50 mm，位于18号线主体结构与29号线基坑相交处。GJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》规定，城市轨道交通结构安全控制指标，水平及竖向位移预警值应小于10 mm。主体结构的位移在规范要求的安全控制指标范围内。

(a)18号线主体结构合位移

3.2 基坑体系土体位移

基坑开挖完成后，基坑土体最大合位移约9.33 mm，位于29号线基坑侧壁顶部，如图5所示。其中，29号线基坑底部最大竖向回弹位移约8.77 mm，29号线基坑侧壁顶部最大水平位移约6.51 mm。基坑土体位移均在GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》要求的安全控制指标范围内。因此，在基坑开挖、支护的全过程中，基坑土体都是安全稳定的。

图5 基坑体系合位移

3.3 围护桩位移

基坑开挖完成后，围护桩最大合位移约6.46 mm，位于29号线基坑中部，如图6所示。该工况下围护桩的最大合位移位置与基坑土体的最大水平位移位置相同。

图6 围护桩合位移

4 结束语

本文以成都锦城广场地铁深基坑工程为依托，建立复杂空间形态深基坑的数值计算模型，采用FLAC3D软件模拟基坑开挖、支护全过程，根据计算结果分析基坑的变形。

计算结果表明，基坑完全开挖后，既有18号线主体结构最大合位移约2.14 mm，基坑土体最大合位移约9.33 mm，围护桩最大合位移约6.46 mm。根据规范要求，城市轨道交通结构水平及竖向位移预警值应小于10 mm，既有18号线地铁结构能够得到有效保护。而基坑变形和支护结构变形也在规范允许范围内，基坑施工过程的边坡安全稳定可以得到保证。

对于既有地铁主体结构的复杂形态基坑体系，设计中不仅需要考虑基坑之间的相互作用，还要考虑基坑土体与支护结构以及主体结构与支护结构之间的关系，任何解析方法都不能进行计算分析。本文采用FLAC3D程序，建立三维数值分析模型，模拟了基坑施工全过程，评价了基坑变形及对既有车站结构的影响，论证了三维数值方法在复杂空间结构基坑工程分析中的有效性。