1. 引言
地铁车站基坑施工作为地铁施工的重要组成部分，由于其开挖深度大，范围广，周边建筑物密集，人流量及车流量大等特点导致较大的安全风险。因此，研究地铁站深基坑变形规律是近些年来的一个重要课题。
有研究者对深基坑监测数据开展分析，总结开挖过程中不同工况支撑轴力、围护结构变形、周边土体沉降等变化规律。廖少明等 [1] 对苏州地区某广场深基坑实测数据分析，总结围护结构侧墙、墙后地表沉降等变化规律；丁智等 [2] 对杭州地区深基坑监测数据分析，认为墙体的深层水平位移是引起土体深层水平位移的重要因素，总结出深基坑变形规律；刘念武等 [3] 结合杭州某地铁深基坑实测资料，总结软土地区深基坑变形规律；张艳书等 [4] 分析了狭长基坑变形规律；施有志等 [5] [6] 总结了基坑开挖对周围环境的影响规律。也有研究者通过数值模拟进行深基坑变形规律研究，其中数值模拟最关键的就是如何对岩土体本构模型和计算参数进行合理选择的问题 [7] [8] [9] 。于洋等 [10] 针对太原地铁复杂环境，进行数值分析，预测支护体系变形趋势。徐凌等 [11] 利用FLAC(3D)模拟对比不同支护方式的变形规律。
深圳地铁12号线上川站位于市中心多个交叉路口之间，周边建筑物密集；基坑施工对周边建筑影响大，对周边道路的通行也产生严重影响。本文利用FLAC(3D)软件模拟基坑开挖全过程，对繁华路段地铁站深基坑变形规律进行研究，控制施工风险，为地铁站顺利施工提供技术支持。
2. 数值计算模型
2.1. 工程概况
上川站位于宝安区上川路、前进一路交叉路口与新安四路、前进一路交叉路口之间，途经建筑较多(如图1所示)。上川站基坑标准段宽20.1 m，盾构井宽26.1 m，车站总长度为537 m，基坑深度19 m~20.5 m。围护结构采用“地下连续墙 + 四道内支撑”形式，地下连续墙厚0.8 m。
Figure 1. Site diagram of Shangchuan station site
图1. 上川站站址环境图
工程开挖影响范围内土层依次为：素填土①、砾质粘性土②、全风化粗粒花岗岩③、强风化粗粒花岗岩④、中风化粗粒花岗岩⑤。本车站基坑支护安全等级按一级考虑。
2.2. 数值模型建立
采用FLAC(3D)建立三维数值分析模型，土层参数见表1。结合基坑所处繁华路段周围建筑物和交通环境复杂特点，根据工程实际尺寸采用1:1模型建立数值分析模型，模型水平面边界取基坑开挖深度的4.5倍，模型高度取基坑开挖深度的2.5倍。模型长、宽、高分别是719.2 m，207.2 m，49 m。
Table 1. Soil physical and mechanical parameters table
表1. 土体物理力学参数表
计算模型中土体和地下连续墙采用三维实体单元，内支撑采用梁单元模拟(支撑参数如表2所示)，土层采用摩尔-库伦本构模型，地下连续墙采用各项同向线弹性模型。模型四周约束水平位移，底部约束水平和竖向位移。围护结构与土地之间建立接触面。繁华路段基坑周边建筑按照等效荷载模拟，以每层15 kPa荷载作用于地基上。施工荷载以宽度6 m至10 m不等的堆积荷载考虑，施加在基坑边缘2 m范围外，标准段大小按20 kPa考虑，盾构井周围按30 kPa考虑。数值模型如图2所示。
Table 2. Table of internal support mechanics parameters
表2. 内支撑力学参数表
Figure 2. Numerical model of deep foundation pit
图2. 深基坑数值模型
根据施工步骤，定义计算工况(如表3所示)共计6步。通过初始地应力平衡计算，模拟周边建筑荷载引起的地基固结沉降已经完成。在基坑开挖之前，还需要将初始位移清零、初始速度清零、塑性区清零，模拟历史上土层自重应力与基坑工程施工产生的位移已经稳定。开挖共分为5次，开挖深度分别为：2 m；6 m；4 m；4 m；3 m (标准段)/4.5 m (盾构井)。
Table 3. Foundation pit excavation calculation steps
表3. 基坑开挖计算步骤
2.3. 数值模拟监测点布置
在深圳地铁12号线上川站基坑开挖过程中，对施工过程中的围护结构位移(标准段水平位移、盾构井水平位移、阳角水平位移)及地表位移(标准段周围地表位移、盾构井周围地表位移)进行了监测(测点布置如图3所示)，同时也对支撑结构轴力进行轴力值监测。
3. 结果分析
3.1. 围护结构位移分析
从基坑开挖过程中围护结构标准段各工况水平位移变化规律图(如图4所示)可知，基坑围护结构标准段水平位移随开挖深度增加逐渐增加。工况2最大水平位移在距离基坑底面11 m处，为4.7 mm，之后最大水平位移位置逐渐向下发展，在工况5结束时，最大水平位移在距离基坑底面7 m处，为11.5 mm。围护结构标准段变形曲线整体上呈“弓形”发展，最大水平位移位置由上逐渐向下移动，随深度增加，围护结构变形趋近于零。
Figure 4. Horizontal displacement of the standard section of the envelope structure
图4. 围护结构标准段水平位移
以距基坑底面7 m处为例，对围护结构标准段水平位移增长速率进行分析，工况1到工况2增长速率最大，之后由于不断架设的支撑遏制了基坑水平方向变形，变形速率变小，并趋于稳定。
从基坑开挖过程中围护结构盾构井各工况水平位移变化规律图(如图5所示)可知，基坑围护结构盾构井水平位移随开挖深度增加逐渐增加。工况1和2最大位移在距离基坑底面11 m处，分别为0.4 mm和2.5 mm，之后最大位移位置向下发展，在工况5结束时，最大水平位移距离基坑底面6 m处附近，最大位移为5.7 mm。围护结构盾构井变形曲线整体上呈“弓形”发展，最后变化趋于稳定，最大水平位移位置由上逐渐向下移动，随深度增加，围护结构变形趋近于零。
Figure 5. Horizontal displacement of shield end section envelope structure
图5. 围护结构盾构井水平位移
从基坑开挖过程中围护结构盾构井阳角处各工况水平位移变化规律图(如图6所示)可知，基坑围护结构盾构井阳角处水平位移随开挖深度增加逐渐增加。工况2最大水平位移在距离基坑底面19 m处，为3.7 mm，之后最大水平位移位置逐渐向下发展，在工况5结束时，最大水平位移在距离基坑底面10.5 m处，为9.3 mm。围护结构盾构井阳角处变形曲线整体上由“前倾型”逐渐向“弓形”发展，最后变化趋于稳定。
Figure 6. Horizontal displacement of sunny angle of enclosure structure
图6. 围护结构盾构井阳角水平位移
3.2. 周围地表沉降分析
从基坑开挖过程中各工况标准段周围地表位移变化规律图(如图7所示)可知，在一定范围内，伴随开挖深度的增大，土体位移对周围环境的影响越来越大。基坑开挖对周围土体沉降的影响范围主要集中在距基坑边缘0到40 m范围内，尤其是0到20 m范围，土体位移对周围环境的影响极大，最大沉降值位置距基坑边缘8.8 m处。随着开挖深度不断增加，地表沉降值逐渐增大，但变化速率趋于稳定，地表沉降最大值位置保持稳定，变形趋势保持稳定。
Figure 7. Surface displacement around standard section of foundation pit
图7. 基坑标准段周围地表位移
从基坑开挖过程中各工况盾构井周围地表位移变化规律图(如图8所示)可知，变化规律大致与标准段周围地表位移变化规律相同。随着开挖深度不断增加，地表沉降值逐渐增大，变化速率趋于稳定，地表沉降最大值位置保持稳定。另外，基坑盾构井周围地表沉降最大值比标准段地表沉降最大值略大。
Figure 8. Surface displacement around the shield hole of the foundation pit
图8. 基坑盾构井周围地表位移
3.3. 支撑结构内力分析
基坑开挖过程中各工况标准段支撑轴力模拟值(如图9所示)可知，伴随开挖深度增大，支撑轴力不断增大；随着开挖深度增加，支撑轴力变化幅度依次降低，逐渐趋于稳定，在浅层土体开挖时支撑变化幅度最大。
由于下部所加钢支撑有卸力作用，基于此协同工作和刚度差异，上部支撑轴力增速会减小。随着4道支撑依次架设完毕，轴力变化趋于稳定，且稳定情况下的第二道支撑轴力略大于第一道支撑。稳定情况下，第一道砼支撑轴力值为699 KN，第二道钢支撑轴力值为727.3 KN，第三道钢支撑轴力值为474.9 KN，第四道钢支撑轴力值为314.2 KN。
Figure 9. Standard section support axial force simulation value
图9. 标准段支撑轴力模拟值
3.4. 高层建筑对深基坑开挖影响分析
雅然居位于基坑标准段附近一侧位置，距离基坑边缘18.5 m，建筑物高17层，采用管桩基础，持力层为强风化岩层。数值模型中，该建筑物以每层15 kPa均布荷载等效施加在基础上。
从基坑开挖过程中高层建筑附近围护结构各工况水平位移变化规律图(如图10所示)可知，变形规律与上述围护结构其他位置变形规律一致，变形曲线整体上呈“弓形”发展，最大水平位移位置由上逐渐向下移动。但是高层建筑物由于基底压力大，对深基坑开挖所引起的围护结构变形也产生较大影响，因此在计算结束时，最大水平位移在距离基坑底面9 m处，为15.8 mm，大于其他位置围护结构水平位移的最大值。
Figure 10. Horizontal displacement of the envelope structure near the high-rise building
图10. 高层建筑附近围护结构水平位移
基坑开挖结束后，从标准段支撑轴力模拟值(如图11所示)可知，在距离基坑标准段端部420 m至500 m范围内，有一个明显的支撑轴力上浮区间，此轴力上浮区间产生的原因是受基坑边缘高层建筑自重荷载影响，基坑开挖后产生较大的土体向基坑内部位移和位移的趋势，造成支撑轴力增加。轴力上浮区间略大于建筑物长度76.5 m。围护结构水平位移和支撑轴力是一对相互协调受力变形的参数，此区间的轴力较大也从侧面验证了区间围护结构水平位移较大。
Figure 11. Variation law of axial force support in standard section of excavation
图11. 开挖结束标准段支撑轴力变化规律
基坑开挖结束后，高层建筑附近一侧，基坑周围地表沉降变化规律如图12所示，附近既有高层建筑物条件下的深基坑开挖对周围环境的影响较大。对比标准段周围地表沉降变化曲线，附近既有高层建筑物条件下的周围地表会在高层建筑物区域有一个较大的沉降，造成该沉降的主要原因是深基坑开挖扰动周围土体往基坑方向位移，高层建筑依靠其高自重的特点挤压土体，进一步加强土体扰动，使高层建筑物位置出现一个明显的沉降，沉降最大值为10 mm，该沉降不会引起建筑物出现破坏等情况，施工中应严控超挖，及时支撑；做好预防措施及预警方案。
Figure 12. Variations of surface settlement around the foundation pit of existing high-rise buildings
图12. 既有高层建筑基坑周围地表沉降变化规律
4. 结论
运用FLAC(3D)软件对繁华路段地铁站的深基坑工程开挖全过程进行仿真模拟分析，探讨了基坑开挖过程中围护结构水平位移变化规律，地表的沉降变化规律，支撑轴力变化规律，高层建筑对深基坑开挖影响规律。得出如下主要结论：
1) 基坑标准段围护结构水平位移比盾构井附近略大，围护结构变形曲线整体上向“弓形”发展，最后变化趋于稳定。基坑围护结构水平位移最大值为15.8 mm，未超过规范限值。
2) 基坑开挖全过程各工况下，盾构井周围地表位移变化规律与标准段变化规律相同，随着开挖深度不断增加，地表沉降值逐渐增大，但变化速率趋于稳定，地表沉降最大值位置保持稳定，变形趋势保持稳定；基坑盾构井周围地表沉降最大值比标准段地表沉降最大值略大。
3) 伴随开挖深度增大，支撑轴力不断增大；支撑轴力变化幅度依次降低。由于下部所加钢支撑的协同工作，上部支撑轴力增速会减小。
4) 附近既有高层建筑物条件下，深基坑开挖围护结构水平位移大于其他位置围护结构水平位移；支撑轴力有明显的上浮区间，区间长度略大于建筑物长度；此条件下的深基坑开挖对周围环境的影响较大。施工中应严控超挖，及时支撑；做好预防措施及预警方案。
基金项目
国家自然科学基金项目“离子土固化剂–水泥联合固化淤泥的微观机理研究”资助(No. 41602319)。
参考文献
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。