0 引言

近年来，随着地铁车站在我国各大城市的迅猛建设，各种地铁车站基坑工程越来越多，但核心城区内的施工空间有限，有时会出现地铁车站基坑附近的堆载现象，基坑附近堆载对基坑支护的风险控制提出了重要的挑战^[1]。针对上述相关问题，工程从业者应当充分调研基坑工程周边地质条件，并确定堆载区域及堆载荷载大小，在初步确定设计方案后应当开展充分的计算论证，确保基坑支护方案的有效性，保证基坑开挖及支护安全^[2-3]。

本文以某堆载条件的地铁车站基坑支护工程为研究对象，并借助大型有限元软件进行数值分析，系统探究了堆载作用下的地层及地表沉降、基坑变形及支撑受力的分布规律，探明该基坑工程支护方案的有效性和结构安全性，相关结果可为类似工程提供参考。

1 工程概况及支护方案

本例以某地铁车站基坑支护工程为研究对象，该基坑处于城市核心区域，基坑旁侧有堆载，堆载对基坑支护的不利影响需要特别重视，因此必须对堆载作用下基坑支护结构安全进行计算分析。本文通过分析堆载作用下的基坑变形、地表沉降、基坑支撑结构内力等关键指标，分析堆载作用对基坑支护安全的影响。

基坑所在地层包含杂填土、素填土、黏质粉土、淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、强风化凝灰岩、中风化凝灰岩等，地下-37m深度以下为凝灰岩的硬岩层，地连墙深入硬岩层中达到13m深度。基坑平面长×宽=190m×28m，根据工程经验，基坑周边预留土体尺寸建议取为3倍的基坑深度^[4-5]，以保证计算结果不会受到模型边界尺寸的影响，因此本算例中的模型总尺寸为长×宽×高=300×150×60m。

基坑支护结构主要有地连墙、冠梁、混凝土支撑和钢支撑。基坑总深度20m，地连墙深度50m。基坑共设置5道支撑，第1道、第3道和第5道支撑为混凝土支撑，并在端头井四角各布置2道斜撑。第2道和第4道支撑为钢支撑，并在端头井四角各布置4道斜撑。混凝土支撑的混凝土强度等级为C35，钢支撑则为薄壁钢管，第1道混凝土支撑处沿地连墙四周设有冠梁，混凝土冠梁也为C35等级混凝土。基坑旁侧有堆载，堆载区尺寸为40×15m，堆载荷载大小约20kPa。

基坑开挖及支护计算步骤：①初始计算步，进行地应力平衡；②施作完整地连墙，并开挖第1道支撑上部的第1层土体并施作冠梁和第1道混凝土支撑；③开挖第2层土体并施作第2道钢支撑；④依次开挖土体并施作对应支撑，直到完成第5道支撑的施作；⑤开挖第6层土体并施作基坑底板；⑥施加堆载作用。

图1 基坑工程示意图                        图2 基坑支护方案示意图

2 计算参数选取

本文采用大型岩土三维有限元计算软件Plaxis3D进行模拟。土体采用实体单元模拟，地层土体采用摩尔库伦本构模型模拟土体物理力学行为，各土层物理力学参数见表1。基坑支护结构均采用结构单元模拟，地连墙采用板单元模拟，冠梁、砼支撑和钢支撑采用梁单元模拟^[6]，各支护结构的截面尺寸及物理力学参数见表2。

表1 地层模型参数选取

表2 基坑支护结构物理力学参数选取

3 模型建立

以基坑的一个角点中心为原点，建立地铁车站基坑工程整体计算模型，地铁车站基坑支护方案的整体计算模型如图3所示，地连墙与横撑的总体模型如图4所示，第1道、第3道和第5道混凝土支撑的模型如图5、图6所示，第2道和第4道钢支撑模型如图7所示，总体基坑支撑模型如图8所示。

图8 全部5道支撑模型

4 计算结果分析

4.1 堆载作用下周边地表及地层变形分析

图9(a)给出了堆载条件下的基坑周边地表沉降变形云图，由图可知，堆载作用下，堆载处地表沉降明显，最大沉降量达到2.4cm，堆载区影响范围约20m左右；无堆载一侧地表最大沉降量为8.5mm，最大沉降变形出现在基坑两侧与端头井交界处，无堆载侧地表沉降明显小于堆载侧。基坑两侧方向的地表沉降区域大约为基坑边缘向外76m范围内，约为3.8H（H为基坑开挖深度）。

图9(b)给出了堆载作用下基坑周围地层变形云图，由图可知，堆载作用下周围地层出现了非对称漏斗型变形区域，而常规地层沉降变形区域应当为堆成漏斗型，堆载侧的下部地层沉降影响区大于未堆载区，但可看出地层沉降区域受到了地下连续墙的阻挡，说明地连墙有效稳定了基坑深度的地层土体，一定程度上阻止了地层内部的变形趋势。

（a）基坑开挖后地表沉降变形云图                     （b）地层沉降变形云图

图9基坑周边地表及地层变形结果

4.2 堆载作用下基坑变形分析

图10(a)和图10(b)给出了基坑开挖完成后的变形云图，由图可知，堆载作用下，堆载侧地下连续墙的垂直沉降为-5.2mm，水平收敛变形最大值为1.25cm，水平收敛变形最大值位置出现在基坑基底处；非堆载侧地下连续墙的垂直沉降为-4.6mm，水平收敛变形最大值为1.1cm，可以明显看出，堆载侧的基坑结构变形比非堆载侧更大。此外，基坑水平变形最大位置均出现在地下深度-22m左右，处于地连墙深度的中间位置，这主要是由于地连墙一次施作后，上下两端分别有混凝土支撑和底部基岩的加固，使得地连墙整体受力类似简支梁，从而导致地连墙中部的水平收敛变形较大。

图10(c)给出了基坑长度中间位置的结构剖面变形图，由图可知，堆载作用下，左右两侧地连墙的水平变形呈现非对称形态，堆载侧的水平收敛变形大于非堆载侧，且在地连墙顶端出现轻微外扩的水平变形，而非堆载侧全部为水平收敛变形，这主要是由于堆载区荷载通过地层传递到地连墙后，导致地连墙中部向基坑内部收敛变形明显，然后由于地连墙类似简支梁的受力形态，第1道横支撑上方的地连墙部分出现了反向外扩变形。

（a）基坑地连墙沉降变形云图         （b）地连墙水平收敛云图      （c）地连墙剖面水平变形图

图10 堆载作用下基坑开挖支护后变形结果

4.3 堆载作用下支撑受力分析

图11(a)给出了基坑所有支撑轴力计算结果，钢支撑的轴力均较小，其中第3道混凝土支撑的轴力最大，轴力最大值约为3983kN，轴力最大值出现在距离堆载区最近的横撑处。这主要是由于基坑顶端土侧压力较小，基坑底部有基底加固和加厚的混凝土底板，加固效果较好，而基坑中部的第3道支撑受到较大的土侧压力同时支撑不如前两者，因此轴力最大。而距离堆载区最近的横撑肯定还要承受堆载荷载，因此轴力最大。

图11(c)给出了基坑开挖完成后的钢支撑轴力图，由图可知，第4道钢支撑的轴力是钢支撑中最大的，轴力最大值约为950.7kN，轴力最大值位置出现在距离堆载区最近的横撑处。

（a）基坑全部支撑结构轴力结果

（b）第3道混凝土支撑的轴力结果

（c）第4道钢支撑轴力结果

图11基坑支撑轴力结果

5 结论

本文以某堆载作用下的地铁车站基坑开挖支护工程为研究对象，并借助大型有限元软件进行数值分析，系统探究了堆载作用下的地层及地表沉降、基坑变形及支撑受力的分布规律，并主要得到以下结论：

（1）堆载作用下对基坑周边地层土体及地表均有扰动，堆载侧的地层土体沉降区域会变大，因此应当密切关注堆载侧附近建构筑物的安全性；

（2）堆载作用下，堆载侧的基坑水平变形及沉降变形均大于非堆载侧，因此可考虑加强堆载侧的基坑支护，如增加堆载区域附近的地连墙厚度等，以避免发生堆载区附近的基坑局部变形；

（3）距离堆载区最近的基坑支撑轴力最大，因此当堆载区荷载较大时，可考虑加强堆载区附近的支撑结构的强度，以避免发生堆载区附近的基坑局部变形。

参考文献：

[1] 孙永超,陈玮,徐曼,等. 坑外堆载对软土基坑开挖变形影响分析[J]. 施工技术,2017,46(13):98-102. DOI:10.7672/sgjs2017130098.

[2] 林刚,徐长节,蔡袁强. 不平衡堆载作用下基坑开挖支护结构性状研究[J]. 岩土力学,2010,31(8):2592-2598. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2010.08.041.

[3] 姚金亚. 地铁明挖车站基坑开挖及支护技术研究[J]. 科技资讯, 2023, 21(2): 46-49. DOI:10.16661/j.cnki.1672-3791.2206-5042-9018.

[4] 樊凤凯,薛双. 南京市某地铁车站基坑变形分析与优化设计[J]. 长春工程学院学报（自然科学版）,2020,21(3):38-43. DOI:10.3969/j.issn.1009-8984.2020.03.008.

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[6] 蔡连利.堆载对明挖隧道基坑围护结构的影响[J].路基工程,2023,No.226(01):228-233.DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202206063.