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摘要：因在变形控制和可持续发展等方面的优势，支护结构与主体结构的结合已成为深基坑工程的一种有效施工方法。基于此，本文重点分析了地铁车站支护与主体结构相结合深基坑变形。
关键词：地铁车站支护;主体结构;深基坑变形
支护桩与地下主体结构组合成为永久性支护结构，能有效控制基坑变形。目前，在地铁车站深基坑工程中进行应用研究已迫在眉睫。传统的弹性地基梁法或平面有限元法难以分析此类基坑的变形特性，因此有必要建立三维有限元模型进行动态分析。
一、支护结构与主体结构结合方式
基坑工程中的支护结构包括围护结构、水平支撑体系和竖向支承系统，在支护结构与主体结构相结合的基坑工程中，支护结构与主体结构的结合包括以下方式：①支护结构的地下连续墙与主体地下结构外墙相结合，即“两墙合一”，同时结合坑内临时支撑系统;②支护结构的水平支撑与主体地下结构水平构件相结合，即用水平梁板体系替代支撑;③支護结构的竖向支承立柱与主体地下结构竖向构件相结合。
二、工程概况
某车站为岛式站台车站，地下两层。主体结构基坑标准段埋深约16.8m，宽约19.7m，结构底标高约11.50m，车站主体覆土厚度约2.5～4.0m。
车站基坑支护体系由预制桩、旋喷桩、2道钢支撑、钢筋混凝土水平支撑组成。基坑立柱为400mm×400mm预制钢筋混凝土方桩，立柱具有两种功能，即基坑开挖时水平混凝土支撑结构;主体结构施工时，对立柱进行外包混凝土处理，将其作为地下车站主体结构体系中的结构柱。支撑结构和主体结构作为一个整体连接，形成永久支护结构。
三、三维有限元数值模拟
1、有限元模型建立。根据基坑支护的实际形式及周围荷载，利用基坑支护主体结构相互作用体系建立基坑三维有限元模型，模拟基坑开挖过程，研究基坑在整个施工中的变形情况。
基坑开挖宽度BC为18.3m，深度16.8m，围护桩长为23.5m，间距8.5m。坑外AB及CD设为150m，竖直方向AF及DE设为200m。第一道钢筋混凝土水平支架间距8.5m，第二、三道钢支架间距3m。底、顶板为钢筋混凝土，厚度为1与0.02m。
土体采用Mohr-Coulomb模型，支护、主体结构采用弹性本构关系。结合经典Biot固结理论，考虑基坑降水问题，结合流体与固体的边界条件，建立三维流固耦合计算模型。
由于土体与结构的相互作用是非线性的，因此，模拟土体与结构相互作用的关键是结构与土体的接触。该模型在土与围护桩、土与混凝土底板的接触面上设接触对，采用有限滑动库仑摩擦模型模拟结构与土体间的摩擦。
模型底部区域为固定边界条件，无水平及竖向位移;基坑两侧边界不存在水平位移，竖向位移为自由;模型自然地面为自由边界条件，整个垂直研究面为对称条件。
该模型采用166455个单元，有限元网格划分示意图如图1所示。
2、施工条件模拟。根据基坑开挖特点，采用动态数值模拟方法对基坑施工过程中的工况进行模拟。
工况1：当水位下降到4.5m时，基坑开挖深度为3.5m。
工况2：第一道混凝土支撑，水位下降到9.9m，基坑继续开挖至8.9m深。
工况3：施工第2道钢支撑，水位下降到13.35m，基坑继续开挖至埋深12.35m。
工况4：第三道钢支撑施工，水位下降到坑底标高1m以下，基坑继续开挖至16.8m深。
工况5：施工底板与底纵梁。
工况6：拆除第三道钢支撑，并换撑，施工主体结构中板、中纵梁。
工况7：施工顶板，预制板与顶板梁相连接。
四、实测和计算结果
先分析不同工况下围护桩的变形特性，再分析支护、主体结构的组合对基坑变形的影响。开挖阶段通常是围护桩的最大侧移阶段。因此，以基坑开挖过程中的前三种工况为例，分析了在有混凝土立柱及无混凝土立柱情况下，围护桩的侧移、坑外地表土体沉降、坑底土体回弹，研究其发展规律，为今后的施工提供参考。
1、围护桩侧移。基坑开挖后，基坑内土体被移除，受坑外土体主动土压力的影响，坑外土体有向坑内运动的趋势。由于第一道混凝土支撑与冠梁间的整体约束，围护桩顶部侧移小，桩体的最大侧移发生在围护桩下部，桩体变形呈现明显的“凸肚”形。开挖深度越大，桩身侧移越大，最大侧移点位置有一定程度的减小。桩顶部侧移基本不变。工况1下，最小侧移为0.03mm，计算最大侧移为1.54mm，实测最大侧移为1.30mm。工况2下，桩身最大侧移计算值为2.48mm，整体曲线形式接近抛物线。工况3下，最大侧移为3.67mm，深度为15.91m，即最大侧移发生在开挖深度上方约1m范围内。工况1、2的计算值与实测值基本接近，说明数值模拟方法合理可靠。
2、基坑外地表土体沉降。基坑开挖卸荷导致围护桩内外侧的土压差，桩体向基坑内移动，墙后土体沉降是由围护桩侧移和坑底土体回弹共同作用引起的。基坑外侧土体的沉降随着基坑土体开挖深度的增加而增大，围护桩外侧存在明显的沉降区，即沉降槽，沉降规律与文献结果一致。
在无立柱情况下，工况1、2、3的最大沉降分别为2.10、2.69、3.56mm，而在有立柱情况下，三种工况的最大沉降分别为1.37、2.11、2.52mm;混凝土立柱在基坑开挖过程中能有效减少基坑外侧地表沉降。此外，该模型基坑外地表最大沉降发生在基坑边缘9.31m处，即基坑宽度的1/2左右，与文献结果一致;围护桩外侧地表沉降量随距离的增加而逐渐减小，基坑边缘围护桩距基坑120m以上时，地表几乎不再沉降;由于整个支护结构的纵断面长约为29m，可得出基坑开挖引起的坑外影响范围约为基坑支护深度的4倍。
五、结论
1、基坑开挖过程中，围护桩趋于向基坑内运动趋势。开挖深度越大，围护桩的侧移沿桩身逐渐增大，最大值出现在开挖深度以上约1m范围内。在基坑开挖过程中，混凝土立柱对围护桩的侧移有很好的抑制作用。支护与主体结构的结合有利于减少基坑在施工过程中的变形。
2、基坑外侧地表土体有一定程度的沉降，沉降槽面积随开挖深度的增加而逐渐增大。混凝土立柱的存在能有效减少基坑开挖外侧地表的沉降。开挖引起的坑外影响范围约为支护深度的4倍。
3、基坑开挖过程中，基坑内土体会发生回弹，土体最大回弹出现在基坑中心，回弹值约为11.8mm。
参考文献
[1]李连祥.支护桩与地下主体结构相结合的永久支护结构[J].建筑科学与工程学报，2017（02）.
[2]代恒军.与主体结构相结合支撑系统的三维数值分析[J].山西建筑，2015（06）.
[3]路林海.地铁车站支护与主体结构相结合深基坑变形[J].中国铁道科学，2021（01）.
关键词：地铁车站支护;主体结构;深基坑变形
支护桩与地下主体结构组合成为永久性支护结构，能有效控制基坑变形。目前，在地铁车站深基坑工程中进行应用研究已迫在眉睫。传统的弹性地基梁法或平面有限元法难以分析此类基坑的变形特性，因此有必要建立三维有限元模型进行动态分析。
一、支护结构与主体结构结合方式
基坑工程中的支护结构包括围护结构、水平支撑体系和竖向支承系统，在支护结构与主体结构相结合的基坑工程中，支护结构与主体结构的结合包括以下方式：①支护结构的地下连续墙与主体地下结构外墙相结合，即“两墙合一”，同时结合坑内临时支撑系统;②支护结构的水平支撑与主体地下结构水平构件相结合，即用水平梁板体系替代支撑;③支護结构的竖向支承立柱与主体地下结构竖向构件相结合。
二、工程概况
某车站为岛式站台车站，地下两层。主体结构基坑标准段埋深约16.8m，宽约19.7m，结构底标高约11.50m，车站主体覆土厚度约2.5～4.0m。
车站基坑支护体系由预制桩、旋喷桩、2道钢支撑、钢筋混凝土水平支撑组成。基坑立柱为400mm×400mm预制钢筋混凝土方桩，立柱具有两种功能，即基坑开挖时水平混凝土支撑结构;主体结构施工时，对立柱进行外包混凝土处理，将其作为地下车站主体结构体系中的结构柱。支撑结构和主体结构作为一个整体连接，形成永久支护结构。
三、三维有限元数值模拟
1、有限元模型建立。根据基坑支护的实际形式及周围荷载，利用基坑支护主体结构相互作用体系建立基坑三维有限元模型，模拟基坑开挖过程，研究基坑在整个施工中的变形情况。
基坑开挖宽度BC为18.3m，深度16.8m，围护桩长为23.5m，间距8.5m。坑外AB及CD设为150m，竖直方向AF及DE设为200m。第一道钢筋混凝土水平支架间距8.5m，第二、三道钢支架间距3m。底、顶板为钢筋混凝土，厚度为1与0.02m。
土体采用Mohr-Coulomb模型，支护、主体结构采用弹性本构关系。结合经典Biot固结理论，考虑基坑降水问题，结合流体与固体的边界条件，建立三维流固耦合计算模型。
由于土体与结构的相互作用是非线性的，因此，模拟土体与结构相互作用的关键是结构与土体的接触。该模型在土与围护桩、土与混凝土底板的接触面上设接触对，采用有限滑动库仑摩擦模型模拟结构与土体间的摩擦。
模型底部区域为固定边界条件，无水平及竖向位移;基坑两侧边界不存在水平位移，竖向位移为自由;模型自然地面为自由边界条件，整个垂直研究面为对称条件。
该模型采用166455个单元，有限元网格划分示意图如图1所示。
2、施工条件模拟。根据基坑开挖特点，采用动态数值模拟方法对基坑施工过程中的工况进行模拟。
工况1：当水位下降到4.5m时，基坑开挖深度为3.5m。
工况2：第一道混凝土支撑，水位下降到9.9m，基坑继续开挖至8.9m深。
工况3：施工第2道钢支撑，水位下降到13.35m，基坑继续开挖至埋深12.35m。
工况4：第三道钢支撑施工，水位下降到坑底标高1m以下，基坑继续开挖至16.8m深。
工况5：施工底板与底纵梁。
工况6：拆除第三道钢支撑，并换撑，施工主体结构中板、中纵梁。
工况7：施工顶板，预制板与顶板梁相连接。
四、实测和计算结果
先分析不同工况下围护桩的变形特性，再分析支护、主体结构的组合对基坑变形的影响。开挖阶段通常是围护桩的最大侧移阶段。因此，以基坑开挖过程中的前三种工况为例，分析了在有混凝土立柱及无混凝土立柱情况下，围护桩的侧移、坑外地表土体沉降、坑底土体回弹，研究其发展规律，为今后的施工提供参考。
1、围护桩侧移。基坑开挖后，基坑内土体被移除，受坑外土体主动土压力的影响，坑外土体有向坑内运动的趋势。由于第一道混凝土支撑与冠梁间的整体约束，围护桩顶部侧移小，桩体的最大侧移发生在围护桩下部，桩体变形呈现明显的“凸肚”形。开挖深度越大，桩身侧移越大，最大侧移点位置有一定程度的减小。桩顶部侧移基本不变。工况1下，最小侧移为0.03mm，计算最大侧移为1.54mm，实测最大侧移为1.30mm。工况2下，桩身最大侧移计算值为2.48mm，整体曲线形式接近抛物线。工况3下，最大侧移为3.67mm，深度为15.91m，即最大侧移发生在开挖深度上方约1m范围内。工况1、2的计算值与实测值基本接近，说明数值模拟方法合理可靠。
2、基坑外地表土体沉降。基坑开挖卸荷导致围护桩内外侧的土压差，桩体向基坑内移动，墙后土体沉降是由围护桩侧移和坑底土体回弹共同作用引起的。基坑外侧土体的沉降随着基坑土体开挖深度的增加而增大，围护桩外侧存在明显的沉降区，即沉降槽，沉降规律与文献结果一致。
在无立柱情况下，工况1、2、3的最大沉降分别为2.10、2.69、3.56mm，而在有立柱情况下，三种工况的最大沉降分别为1.37、2.11、2.52mm;混凝土立柱在基坑开挖过程中能有效减少基坑外侧地表沉降。此外，该模型基坑外地表最大沉降发生在基坑边缘9.31m处，即基坑宽度的1/2左右，与文献结果一致;围护桩外侧地表沉降量随距离的增加而逐渐减小，基坑边缘围护桩距基坑120m以上时，地表几乎不再沉降;由于整个支护结构的纵断面长约为29m，可得出基坑开挖引起的坑外影响范围约为基坑支护深度的4倍。
五、结论
1、基坑开挖过程中，围护桩趋于向基坑内运动趋势。开挖深度越大，围护桩的侧移沿桩身逐渐增大，最大值出现在开挖深度以上约1m范围内。在基坑开挖过程中，混凝土立柱对围护桩的侧移有很好的抑制作用。支护与主体结构的结合有利于减少基坑在施工过程中的变形。
2、基坑外侧地表土体有一定程度的沉降，沉降槽面积随开挖深度的增加而逐渐增大。混凝土立柱的存在能有效减少基坑开挖外侧地表的沉降。开挖引起的坑外影响范围约为支护深度的4倍。
3、基坑开挖过程中，基坑内土体会发生回弹，土体最大回弹出现在基坑中心，回弹值约为11.8mm。
参考文献
[1]李连祥.支护桩与地下主体结构相结合的永久支护结构[J].建筑科学与工程学报，2017（02）.
[2]代恒军.与主体结构相结合支撑系统的三维数值分析[J].山西建筑，2015（06）.
[3]路林海.地铁车站支护与主体结构相结合深基坑变形[J].中国铁道科学，2021（01）.