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[摘 要]本文运用FLAC数值分析软件，针对广州地铁某车站基坑施工对既有地铁车站结构的影响进行了二维流固耦合分析。根据数值计算结果，研究不同开挖过程中车站结构的应力及变形特征，提出优化设计、施工方案的方法。
[关键词]地铁车站结构、二维流固耦合、应力、变形
中图分类号：U231.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0080-02
0 引言
随着我国城市化进程的加快，用地日趋紧张，基础设施及商业用地在地下空间利用广度及深度方面也逐渐提高，大量基坑工程随处可见。而深基坑工程中水力现象与力学现象有着密切的相互作用： 应力场作用于土体的孔隙结构， 改变水的移动通道，存在于土体孔隙中的水， 影响了土体的平衡状态[1]，进而对周边环境产生较大影响。合理分析深基坑施工过程中周边建、构筑物结构的受力状态及位移变化，对优化设计、减少不必要的工程成本消耗等具有重要的现实意义。
目前，我国轨道交通飞速发展，在增加其周边用地商业价值的同时，也提高了相应深基坑的建设风险及难度。由于地下水的不确定性及深基坑开挖过程中的时空效应，通常的解析方法计算结果已难以满足实际工程需要。数值模拟方法以其相当的优越性，实现对基坑深基坑开挖进行模拟，能比较理想地反映基坑开挖过程中地下水渗流场等势线、流速矢量以及流量等渗流要素在不同条件下的变化规律[2]。结合此方法的研究取得了较多成果，如平扬[3]等将比奥固结理论扩展应用于弹塑性分析领域，并通过有限单元法模拟渗流场水力作用与应力场耦合，研究深基坑开挖及降水对环境效应的基本规律；裴桂红[4]等通过建立三维数值模型，给出了考虑墓坑支护措施情况下渗流过程中基坑应力场变化特征；曾庆国[5]等结合深圳地铁工程实例，采用二维有限元分析方法，研究基坑开挖过程中地下水渗流作用对周边地铁隧道变形的影响。本文结合广州地铁工程建设实例，采用数值分析软件FLAC建立二维有限元分析模型，研究拟建车站基坑在不同开挖深度时邻近地铁运营车站结构的应力和变形特征，提出优化设计和施工的方法。
1 项目概况
拟建车站为地下二层14米岛式站台车站，双柱3跨矩形结构，全长289.2米，标准段宽为22.7米，车站基坑开挖深度为17.1～18.9米。
根据场地内所揭露地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性，场地内自上而下土层及其层厚依次为：填土层（层厚0.50～5.60m）、陆相冲积-洪积砂层（层厚2.50～11.90m）、冲积-洪积土层（层厚0.50～11.35m）、残积层（层厚0.90～3.80m）、岩石全风化带（层厚0.50～3.80m）、岩石强风化带（层厚0.50～14.80m）、岩石中风化带（层厚0.50～8.80m）、岩石微风化带（揭露层面埋深17.60～30.10m）共八大层，部分地层根据地质描述进一步再细分亚层。
2 基坑与地铁车站空间关系
2.1 基坑设计方案
车站主体工程明挖基坑围护结构主要类型均为地下连續墙（厚800mm）+内支撑（四道）。第一支撑采用钢筋混凝土支撑，与冠梁直接连接，水平间距一般按9m布置，均设八字撑；第二～四道支撑采用钢支撑Φ609（t=16mm），并设置钢腰粱。为严格控制基坑施工期间失水，确保砂岩地层既有地铁车站结构安全，在与车站平面重叠区域的地连墙两侧增设两排搅拌桩加固（D500@400），近风亭组区域采用格栅形式，深度至坑面处。
2.2 基坑与地铁平、剖面关系
拟建车站基坑东侧紧贴既有某车站（地下两层单柱双跨矩形结构，基底埋深约17m），距既有车站围护结构9.6～11.5m，局部风亭组最近处仅约2.6m。基坑与既有车站典型平、剖面位置关系如下图1、2：
3 基坑施工对既有车站结构影响的数值分析
考虑文章篇幅及深基坑开挖对地铁车站结构的影响相对较大等因素，本文仅针对车站结构的影响，按实际开挖、支撑等施工顺序进行施工阶段分析。
3.1 计算模型
理论上讲，基坑本身及其支护体系都是一个复杂的三维空间受力问题。同时，基坑的长宽尺寸越小，长宽比例越小，其三维空间效应越显著，且该效应主要表现在坑角部位或者基坑形状突变处。但实际工程中，一般忽略坑角效应，将基坑简化为二维平面问题。拟开挖基坑除了南北两个端头需要当做盾构井使用外，整体呈规则长方形，且长宽比大于10，从整体的布置来看基坑属于典型的细长建筑物。另外，对于邻近的既有车站，其结构平行于基坑布置，且结构长宽比也大于10，具有典型的二维分析特征，故本计算分析采用二维分析方法，相关材料参数选取：C30混凝土和钢管支撑的重度取25 kN· m-3、78.5 kN· m-3；弹性模量分别取3.0×104 MPa、2.0×105 MPa；泊松比分别取0.167、0.30。
根据有限元分析原理和一般处理经验，基坑开挖在水平向的影响范围为基坑开挖边界外3～5倍开挖深度，而竖向的影响范围则为基坑底部向下2～4倍开挖深度。因此数值模型的左边界取为基坑边界外70m，约为基坑开挖深度的4倍，右边界约为既有地铁车站结构的外侧70m，计算模型长为180m。而模型的底边界一般为3倍开挖深度，为了保证整个模型的长宽比合适，因此取模型的高度方向为80m。本文采用FLAC数值分析软件，通过实体建模菜单形成二维模型，网格采用四边形网格，合计28922个，14260个单元。材料属性模型全貌及部分结构的局部网格模型如图3示：
3.2 计算模拟
（1）计算为二维平面有限元问题，单元类型为四边形单元；
（2）岩土体本构模型采用Mohr～Coulomb弹塑性本构模型；
（3）地下连续墙与土体之间的相互作用采用FLAC中的interface界面单元进行处理； （4）基坑开挖过程中的混凝土与钢管支撑采用FLAC中自带的beam单元进行模拟；
（5）基坑开挖时降水过程通过指定块体为model fl_null单元来实现；
（6）混凝土结构则采用弹性本构模型；
3.3 计算分析步骤
本文在施工过程模拟一共分为5个荷载步，如下：
（1）初始应力场；
（2）施工步一：基坑开挖第1层土方，第1道支撑的施加；
（3）施工步二：基坑开挖第2层土方，第2道支撑的施加；
（4）施工步三：基坑开挖第3层土方，第3道支撑的施加；
（5）施工步四：基坑开挖第4层土方，第4道支撑的施加。
3.4 计算结果分析
3.4.1 主应力计算结果
开挖过程中考虑降水的影响，进行了流固耦合分析。基坑第1层土方开挖后，基坑底部有应力释放现象，表层应力变小，基坑暴露部位应力得到了释放，既有地铁车站结构的应力分布变化不大。基坑开挖卸荷至坑底时，其围护结构应力持续增大，底板上抬，邻近车站结构的应力值继续变大，集中现象更明显。
3.4.2 开挖到底计算结果
由图4、图5水平向位移、沉降计算云图可以得出，基坑开挖完成后附近岩土体的沉降变形最大值达21mm，但是靠近既有车站结构一侧的沉降变形值较小，水平变形表现了同样的特点，这是由于既有车站一侧混凝土结构以及部分土体加固使构造物的刚度增大的原因，导致变形相对较小。
3.4.3 车站结构特征点变形分析
为了分析统计既有地铁车站结构的变形分布情况，选取了如图6所示的5个特征点进行了水平和竖向变形统计，统计值见表2。表中竖直位移正值代表竖直向上位移，即为回弹变形，负值代表竖直向下位移，即为沉降变形；水平位移指向车站基坑方向为负值，相反方向为正值。统计数据表明基坑开挖引起的既有车站结构水平向位移都指向基坑方向，变形范围为2.0～4.2mm，最大水平变形值为4.17mm，地铁车站上层结构比下层结构的水平变形值要大；竖向位移则都表现为沉降变形，变形范围为3.0～5.8mm，最大沉降变形为5.78mm，从沉降的分布特征来看，最大沉降发生在基坑与既有车站结构之间。
4 结论及建议
本文对广州地铁某车站基坑施工对既有车站结构的影响进行了二维流固耦合分析，得到以下结论及建议：
1、深基坑开挖过程中既有车站结构的水平和沉降变形都表现为渐进式增长的特点；
2、基坑地连墙的水平位移在竖向分布上呈“鼓肚”特征，位移最大值位于坑底上方约3m部位；
3、地下水作用对基坑的稳定以及邻近地铁车站结构的影响明显，开挖过程中应严格保证支护结构的阻水止水效果，避免既有地下水位大幅度下降。
参考文献
[1] 罗晓辉.深基坑渗流与应力耦合分析[J].工程勘察，1996.（6）：37-41（Luo Xiao-hui. Analysis of seepage and stress coupling in foundation pit [J]. Geotechnical Investigation & Surveying，， 1996，（6）：37-41 （in Chinese））
[2] 姜忻良，宗金辉.基坑开挖工程中渗流场的三维有限元分析[J].岩土工程学报，2006.28（5）：564-568（Jiang Xin-liang， ZONG Jin-hui. Three-dimensional finite analysis of seepage fields in foundation pit[J].Chinese Journal Geotechnical Engineering，， 2006，28（5）：564-568 （in Chinese））
[3] 平扬，白世伟，徐燕萍.深基坑工程渗流-应力耦合分析数值模拟研究[J].岩土力学，2001.22（1）：37-41（PING Yang， BAI Shi-wei， XU Yan-ping.Numerical simulation of seepage and stress coupling analysis in deep foundation pit [J]. Rock and Soil Mechanics，， 2001，22（1）：37-41 （in Chinese））
[4] 裴桂紅，吴军，刘建军，梁冰.深基坑开挖过程中渗流-应力耦合数值模拟[J].岩土力学与工程学报，2004.23（增）：4975-4978（Pei Gui-hong， WU Jun， LIU Jian-jun， LIANG Bing. [J]. Chinese Journal Geotechnical Engineering，， 2004，23（S）：4975-4978 （in Chinese））
[5] 曾庆国，徐剑敏.基坑开挖渗流对邻近地铁影响的数值分析[J].岩土工程技术，2013.（4）：184-187（ZENG， Qing-guo， XU Jian-min. Numerical analysis on effect of water seepage in foundation pit nearby metro [J]. Geotechnical Engineering Technique，， 2013，（4）：184-187 （in Chinese））
[关键词]地铁车站结构、二维流固耦合、应力、变形
中图分类号：U231.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）38-0080-02
0 引言
随着我国城市化进程的加快，用地日趋紧张，基础设施及商业用地在地下空间利用广度及深度方面也逐渐提高，大量基坑工程随处可见。而深基坑工程中水力现象与力学现象有着密切的相互作用： 应力场作用于土体的孔隙结构， 改变水的移动通道，存在于土体孔隙中的水， 影响了土体的平衡状态[1]，进而对周边环境产生较大影响。合理分析深基坑施工过程中周边建、构筑物结构的受力状态及位移变化，对优化设计、减少不必要的工程成本消耗等具有重要的现实意义。
目前，我国轨道交通飞速发展，在增加其周边用地商业价值的同时，也提高了相应深基坑的建设风险及难度。由于地下水的不确定性及深基坑开挖过程中的时空效应，通常的解析方法计算结果已难以满足实际工程需要。数值模拟方法以其相当的优越性，实现对基坑深基坑开挖进行模拟，能比较理想地反映基坑开挖过程中地下水渗流场等势线、流速矢量以及流量等渗流要素在不同条件下的变化规律[2]。结合此方法的研究取得了较多成果，如平扬[3]等将比奥固结理论扩展应用于弹塑性分析领域，并通过有限单元法模拟渗流场水力作用与应力场耦合，研究深基坑开挖及降水对环境效应的基本规律；裴桂红[4]等通过建立三维数值模型，给出了考虑墓坑支护措施情况下渗流过程中基坑应力场变化特征；曾庆国[5]等结合深圳地铁工程实例，采用二维有限元分析方法，研究基坑开挖过程中地下水渗流作用对周边地铁隧道变形的影响。本文结合广州地铁工程建设实例，采用数值分析软件FLAC建立二维有限元分析模型，研究拟建车站基坑在不同开挖深度时邻近地铁运营车站结构的应力和变形特征，提出优化设计和施工的方法。
1 项目概况
拟建车站为地下二层14米岛式站台车站，双柱3跨矩形结构，全长289.2米，标准段宽为22.7米，车站基坑开挖深度为17.1～18.9米。
根据场地内所揭露地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性，场地内自上而下土层及其层厚依次为：填土层（层厚0.50～5.60m）、陆相冲积-洪积砂层（层厚2.50～11.90m）、冲积-洪积土层（层厚0.50～11.35m）、残积层（层厚0.90～3.80m）、岩石全风化带（层厚0.50～3.80m）、岩石强风化带（层厚0.50～14.80m）、岩石中风化带（层厚0.50～8.80m）、岩石微风化带（揭露层面埋深17.60～30.10m）共八大层，部分地层根据地质描述进一步再细分亚层。
2 基坑与地铁车站空间关系
2.1 基坑设计方案
车站主体工程明挖基坑围护结构主要类型均为地下连續墙（厚800mm）+内支撑（四道）。第一支撑采用钢筋混凝土支撑，与冠梁直接连接，水平间距一般按9m布置，均设八字撑；第二～四道支撑采用钢支撑Φ609（t=16mm），并设置钢腰粱。为严格控制基坑施工期间失水，确保砂岩地层既有地铁车站结构安全，在与车站平面重叠区域的地连墙两侧增设两排搅拌桩加固（D500@400），近风亭组区域采用格栅形式，深度至坑面处。
2.2 基坑与地铁平、剖面关系
拟建车站基坑东侧紧贴既有某车站（地下两层单柱双跨矩形结构，基底埋深约17m），距既有车站围护结构9.6～11.5m，局部风亭组最近处仅约2.6m。基坑与既有车站典型平、剖面位置关系如下图1、2：
3 基坑施工对既有车站结构影响的数值分析
考虑文章篇幅及深基坑开挖对地铁车站结构的影响相对较大等因素，本文仅针对车站结构的影响，按实际开挖、支撑等施工顺序进行施工阶段分析。
3.1 计算模型
理论上讲，基坑本身及其支护体系都是一个复杂的三维空间受力问题。同时，基坑的长宽尺寸越小，长宽比例越小，其三维空间效应越显著，且该效应主要表现在坑角部位或者基坑形状突变处。但实际工程中，一般忽略坑角效应，将基坑简化为二维平面问题。拟开挖基坑除了南北两个端头需要当做盾构井使用外，整体呈规则长方形，且长宽比大于10，从整体的布置来看基坑属于典型的细长建筑物。另外，对于邻近的既有车站，其结构平行于基坑布置，且结构长宽比也大于10，具有典型的二维分析特征，故本计算分析采用二维分析方法，相关材料参数选取：C30混凝土和钢管支撑的重度取25 kN· m-3、78.5 kN· m-3；弹性模量分别取3.0×104 MPa、2.0×105 MPa；泊松比分别取0.167、0.30。
根据有限元分析原理和一般处理经验，基坑开挖在水平向的影响范围为基坑开挖边界外3～5倍开挖深度，而竖向的影响范围则为基坑底部向下2～4倍开挖深度。因此数值模型的左边界取为基坑边界外70m，约为基坑开挖深度的4倍，右边界约为既有地铁车站结构的外侧70m，计算模型长为180m。而模型的底边界一般为3倍开挖深度，为了保证整个模型的长宽比合适，因此取模型的高度方向为80m。本文采用FLAC数值分析软件，通过实体建模菜单形成二维模型，网格采用四边形网格，合计28922个，14260个单元。材料属性模型全貌及部分结构的局部网格模型如图3示：
3.2 计算模拟
（1）计算为二维平面有限元问题，单元类型为四边形单元；
（2）岩土体本构模型采用Mohr～Coulomb弹塑性本构模型；
（3）地下连续墙与土体之间的相互作用采用FLAC中的interface界面单元进行处理； （4）基坑开挖过程中的混凝土与钢管支撑采用FLAC中自带的beam单元进行模拟；
（5）基坑开挖时降水过程通过指定块体为model fl_null单元来实现；
（6）混凝土结构则采用弹性本构模型；
3.3 计算分析步骤
本文在施工过程模拟一共分为5个荷载步，如下：
（1）初始应力场；
（2）施工步一：基坑开挖第1层土方，第1道支撑的施加；
（3）施工步二：基坑开挖第2层土方，第2道支撑的施加；
（4）施工步三：基坑开挖第3层土方，第3道支撑的施加；
（5）施工步四：基坑开挖第4层土方，第4道支撑的施加。
3.4 计算结果分析
3.4.1 主应力计算结果
开挖过程中考虑降水的影响，进行了流固耦合分析。基坑第1层土方开挖后，基坑底部有应力释放现象，表层应力变小，基坑暴露部位应力得到了释放，既有地铁车站结构的应力分布变化不大。基坑开挖卸荷至坑底时，其围护结构应力持续增大，底板上抬，邻近车站结构的应力值继续变大，集中现象更明显。
3.4.2 开挖到底计算结果
由图4、图5水平向位移、沉降计算云图可以得出，基坑开挖完成后附近岩土体的沉降变形最大值达21mm，但是靠近既有车站结构一侧的沉降变形值较小，水平变形表现了同样的特点，这是由于既有车站一侧混凝土结构以及部分土体加固使构造物的刚度增大的原因，导致变形相对较小。
3.4.3 车站结构特征点变形分析
为了分析统计既有地铁车站结构的变形分布情况，选取了如图6所示的5个特征点进行了水平和竖向变形统计，统计值见表2。表中竖直位移正值代表竖直向上位移，即为回弹变形，负值代表竖直向下位移，即为沉降变形；水平位移指向车站基坑方向为负值，相反方向为正值。统计数据表明基坑开挖引起的既有车站结构水平向位移都指向基坑方向，变形范围为2.0～4.2mm，最大水平变形值为4.17mm，地铁车站上层结构比下层结构的水平变形值要大；竖向位移则都表现为沉降变形，变形范围为3.0～5.8mm，最大沉降变形为5.78mm，从沉降的分布特征来看，最大沉降发生在基坑与既有车站结构之间。
4 结论及建议
本文对广州地铁某车站基坑施工对既有车站结构的影响进行了二维流固耦合分析，得到以下结论及建议：
1、深基坑开挖过程中既有车站结构的水平和沉降变形都表现为渐进式增长的特点；
2、基坑地连墙的水平位移在竖向分布上呈“鼓肚”特征，位移最大值位于坑底上方约3m部位；
3、地下水作用对基坑的稳定以及邻近地铁车站结构的影响明显，开挖过程中应严格保证支护结构的阻水止水效果，避免既有地下水位大幅度下降。
参考文献
[1] 罗晓辉.深基坑渗流与应力耦合分析[J].工程勘察，1996.（6）：37-41（Luo Xiao-hui. Analysis of seepage and stress coupling in foundation pit [J]. Geotechnical Investigation & Surveying，， 1996，（6）：37-41 （in Chinese））
[2] 姜忻良，宗金辉.基坑开挖工程中渗流场的三维有限元分析[J].岩土工程学报，2006.28（5）：564-568（Jiang Xin-liang， ZONG Jin-hui. Three-dimensional finite analysis of seepage fields in foundation pit[J].Chinese Journal Geotechnical Engineering，， 2006，28（5）：564-568 （in Chinese））
[3] 平扬，白世伟，徐燕萍.深基坑工程渗流-应力耦合分析数值模拟研究[J].岩土力学，2001.22（1）：37-41（PING Yang， BAI Shi-wei， XU Yan-ping.Numerical simulation of seepage and stress coupling analysis in deep foundation pit [J]. Rock and Soil Mechanics，， 2001，22（1）：37-41 （in Chinese））
[4] 裴桂紅，吴军，刘建军，梁冰.深基坑开挖过程中渗流-应力耦合数值模拟[J].岩土力学与工程学报，2004.23（增）：4975-4978（Pei Gui-hong， WU Jun， LIU Jian-jun， LIANG Bing. [J]. Chinese Journal Geotechnical Engineering，， 2004，23（S）：4975-4978 （in Chinese））
[5] 曾庆国，徐剑敏.基坑开挖渗流对邻近地铁影响的数值分析[J].岩土工程技术，2013.（4）：184-187（ZENG， Qing-guo， XU Jian-min. Numerical analysis on effect of water seepage in foundation pit nearby metro [J]. Geotechnical Engineering Technique，， 2013，（4）：184-187 （in Chinese））