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【摘 要】在地铁深基坑施工中，围护结构对基坑的安全起着至关重要的作用。本文依据合肥地铁一号线明光路站，施工过程中，由于车站3号出入口为出土口，原计划的第一道钢筋混凝土支撑无法实现，更改为钢支撑，通过有限元分析软件MIDAS-GTS＼NX，建立二维模型进行数值模拟，对围护结构的变形和地表沉降进行分析，结果表明：第一道支撑采用钢支撑代替钢筋混凝土支撑对围护结构的侧移值影响不大，钢筋混凝土支撑控制地表沉降的效果要比钢支撑好，对今后类似工程变更提供依据。
【关键词】深基坑；地连墙；地表沉降；内支撑
【Abstract】In the construction of a subway deep foundation pit， The safety of the retaining structure of foundation pit plays a vital role.The article is based on mingguang road of HeFei subway station. In the process of construction，because the station 3gateway is used as unearthed mouth， the first reinforced concrete supporting of the original plan can not be achieved，change to steel support.Through the finite element analysis software MIDAS GTS＼NX，established two-dimensional model for numerical simulation，analyze the deformation of the retaining structure and the surface subsidence.The results show that：The first line of support used steel support instead of the reinforced concrete support is little effect on the value of the lateral retaining structure，the effect of the reinforced concrete support to control the surface subsidence is better than steel support.The result can provide the basis for change of similar projects in the future.
【Key words】Deep foundation pit；Underground diaphragm wall；Ground surface settlement；Inner support
0.引言
随着很多城市修建地铁，确保地铁深基坑工程的安全施工是至关重要的，一旦发生事故，将会带来严重的后果[1]。杭州地铁湘湖路站发生坍塌事故，内支撑和地连墙发生破坏，导致21人死亡[2]。因此，选择合理安全的围护结构，是保证基坑安全施工的关键。根据经验，国内地铁深基坑一般采用地连墙加内支撑的组合结构，内支撑一般为混凝土支撑和钢支撑的组合，第一道支撑为钢筋混凝土支撑，其余的为钢支撑，这种组合结构起到了良好的效果[3-4]。钢筋混凝土支撑由于其现浇而成的较强的空间连接刚度而使整个基坑受力变形呈现出较大空间整体效应，具有较大的平面刚度，结构变形小，能有效的保护基坑和周边环境的稳定。而钢支撑施工相对简单且能重复利用，在基坑开挖期间施加预压力对确保基坑稳定和施工安全也能起到良好的作用。由于钢支撑施工速度快，工序简单，在复杂条件下，当施工钢筋混凝土支撑难以实现时，可以选择用钢支撑替代，因此，研究钢支撑代替钢筋混凝土支撑具有重要的意义[5]。本文根据合肥地铁一号线的工程实例，分析分别用钢支撑和钢筋混凝土支撑作为第一道支撑的对基坑稳定性的影响。
1.工程概况
明光路车站位于胜利路与明光路交口处，沿胜利路南北向布置，下穿东西方向待建的明光路下穿桥。车站里程起始于K6+179.787，终止于K6+448.697，总长268.91m，车站基坑标准段宽23.2m，顶板覆土约0.8-4.4m，标准段底板埋深约22.8m。车站主体基坑距离周边建筑物较远，东南角为合肥市长安驾校、合肥长途客运站、金色梧桐30层商住楼及一些低矮商铺和住宅，东北角为低、多层商铺和住宅，西北角为合肥市邮政速递局等低、多层建筑，车站北侧为即将拆除的老淮南铁路。拟建场地地形较为平坦，微地貌单元属于南淝河一级阶地。
车站设计采用明挖顺做法施工，即开挖至基坑底后顺作车站底、中、顶板及侧墙和其他结构，围护结构采用地下连续墙+内支撑的支护方式，内支撑为第一道钢筋混凝土支撑+四道钢支撑。由于三号出入口作为出土口，如果继续将第一道支撑作为钢筋混凝土支撑施工很难实现，所以将三号出入口处的内支撑换做钢支撑，为基坑出土留出足够的空间。
2.数值计算
2.1计算参数的选取
根据施工勘察报告，将土层做了相应简化，划分的土层及各层土体的力学计算参数见表1所示。地下连续墙为C35混凝土，用线弹性梁单元模拟计算，根据经验将弹性模量E取为30GPa，泊松比取0.20，重度为25 ；各支撑采用线弹性桁架单元模拟，弹性模量E取200GPa，泊松比0.30。结构所受恒荷载为自重与土压力，活荷载为地面超载，取20kPa。见表 1。
主体围护结构：1000mm厚地下连续墙，五道内支撑，钢管内支撑直接采用609mm，壁厚t=16mm，可施加预压力；第 1道支撑在地表下 2.3m，第2道支撑为地表下5.8m，第3道支撑为地表下10.55m，第四道支撑为地表下14.75m，第五道支撑为地表下18.28m。钢筋混凝土支撑采用C30混凝土，截面尺寸1000mm×800mm。分析比较内支撑采用钢管和钢筋混凝土情况下基坑支护特性的变化，因此，按以 2个方案进行计算分析： 表2 计算方案
2.2计算模型的建立
基坑标准段宽为23.2m，深为21.8m，地下连续墙深取34.8m，计算边界的范围大小对模拟结果的精度有很大的影响，依据圣维南原理，开挖区域一般选开挖尺寸的2～4倍比较合理，取143.2m×70m（宽×深）建立二维模型，计算网格共有3640个单元，3716个节点。模型的左右边界采用法向约束，底边采取固端约束，计算模型如图1所示。
2.3计算结果的分析
2.3.1开挖步骤
模型计算分为8个步骤：第1步：初始地应力分析，第2步：浇筑地连墙，第3步：开挖+第一道混凝土支撑；第4步：开挖+第二道钢支撑；第5步：开挖+第三道钢支撑；第6步：开挖+第四道钢支撑；第7步：开挖+第五道钢支撑；第8步：开挖到坑底。变更方案是把第三步的钢筋混凝土支撑更改为钢支撑，其他施工步骤完全一样。
2.3.2计算结果的分析
3.地连墙侧移分析
地连墙的作用主要是抵抗基坑开挖卸荷导致墙背侧土体向坑内滑动，从而保证基坑开挖的安全。基坑开挖过程后，土体的应力状态发生改变，围护墙受力开始产生变形，当基坑内侧卸去原有的土压力时，墙外侧受到主动土压力，在坑底的墙内侧受到部分被动土压力[6]。下图为各开挖步两种方案地连墙的水平侧移对比图：
由上图可以看出，随着开挖深度的加深，地连墙的侧移值不断的增大，并且侧移最大值随着开挖深度的加深而加深，在开挖到坑底时，侧移值达到最大，并且开挖变化趋势都呈现出中间大两头小的弓型曲线，更改后的方案最大侧移发生在坑深15m附近，达到10.05mm，仅为开挖深度的0.046%，原方案最大侧移发生在坑深14.5m附近，达11.23mm，仅为开挖深度的0.051%。远小于规范规定的0.3%H（H为开挖深度）。更改后的方案地连墙侧移值比更改前的小1.18mm，说明钢支撑代替混凝土支撑的起到了良好的效果。
4.地表沉降分析
基坑开挖过程中，地连墙受力产生变形，使得基坑外围土体的原始应力状态改变而引起地层移动，使得地面发生沉降 。对周围地表做好沉降监测，保证周围建构筑物的安全，是施工中必不可少的内容。根据数值模拟结果，分别作出两种方案的地表沉降图，如下图所示：由图可以看出，最大沉降并不是发生在坑壁附近，而是在距基坑边15m左右的位置，原方案最大沉降值为12mm，更改后的方案最大沉降值为16.6mm，更改后的方案比原方案的沉降值大4.6mm，均小于地表沉降的警戒着30mm，说明钢筋混凝土支撑对控制地表沉降的效果比钢支撑要好。
5.结论
（1）采用有限元分析软件MIDAS-GTS/NX对原方案和更改方案进行了数值模拟，得出地连墙的最大侧移值随着开挖深度的加深而增大，并且最大值并不是出现在坑底，而是出现在距开挖深度 位置附近，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑和钢支撑时，地连墙的最大侧移值分别为11.23mm和10.05mm，二种方案的差别并不大。
（2）两种方案地表沉降最大值均发生在距离基坑边缘15m左右的位置，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑时，最大值为12mm，采用钢支撑时，最大沉降值为16mm，说明采用钢筋混凝土支撑对控制地表沉降的效果比钢支撑好。
（3）通过数值分析得出第一道钢支撑代替钢筋混凝土的方案是可行的，结果可供类似工程做参考。
【参考文献】
[1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
[2]张旷成，李继民.杭州地铁湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析[J].岩土工程学报，2010，32（增刊）：338-342.
[3]孙凯，许振刚，刘庭金等.深基坑的施工监测及其数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（2）：293-298.
[4]张忠苗，房凯，刘兴旺等.粉砂土地铁深基坑支撑轴力监测分析[J].岩土工程学报，2010，7（增1）：426-429.
[5]刘树亚， 潘晓明，欧阳蓉，余志江.用钢筋混凝土支撑代替钢支撑的深基坑支护特性研究[J].岩土工程学报，2012，11（增1）：309-314.
[6]施成华，彭立敏.基抗开挖及降水引起的地表沉降预测[J].土木工程学，2006，39（5）：117-121.
【关键词】深基坑；地连墙；地表沉降；内支撑
【Abstract】In the construction of a subway deep foundation pit， The safety of the retaining structure of foundation pit plays a vital role.The article is based on mingguang road of HeFei subway station. In the process of construction，because the station 3gateway is used as unearthed mouth， the first reinforced concrete supporting of the original plan can not be achieved，change to steel support.Through the finite element analysis software MIDAS GTS＼NX，established two-dimensional model for numerical simulation，analyze the deformation of the retaining structure and the surface subsidence.The results show that：The first line of support used steel support instead of the reinforced concrete support is little effect on the value of the lateral retaining structure，the effect of the reinforced concrete support to control the surface subsidence is better than steel support.The result can provide the basis for change of similar projects in the future.
【Key words】Deep foundation pit；Underground diaphragm wall；Ground surface settlement；Inner support
0.引言
随着很多城市修建地铁，确保地铁深基坑工程的安全施工是至关重要的，一旦发生事故，将会带来严重的后果[1]。杭州地铁湘湖路站发生坍塌事故，内支撑和地连墙发生破坏，导致21人死亡[2]。因此，选择合理安全的围护结构，是保证基坑安全施工的关键。根据经验，国内地铁深基坑一般采用地连墙加内支撑的组合结构，内支撑一般为混凝土支撑和钢支撑的组合，第一道支撑为钢筋混凝土支撑，其余的为钢支撑，这种组合结构起到了良好的效果[3-4]。钢筋混凝土支撑由于其现浇而成的较强的空间连接刚度而使整个基坑受力变形呈现出较大空间整体效应，具有较大的平面刚度，结构变形小，能有效的保护基坑和周边环境的稳定。而钢支撑施工相对简单且能重复利用，在基坑开挖期间施加预压力对确保基坑稳定和施工安全也能起到良好的作用。由于钢支撑施工速度快，工序简单，在复杂条件下，当施工钢筋混凝土支撑难以实现时，可以选择用钢支撑替代，因此，研究钢支撑代替钢筋混凝土支撑具有重要的意义[5]。本文根据合肥地铁一号线的工程实例，分析分别用钢支撑和钢筋混凝土支撑作为第一道支撑的对基坑稳定性的影响。
1.工程概况
明光路车站位于胜利路与明光路交口处，沿胜利路南北向布置，下穿东西方向待建的明光路下穿桥。车站里程起始于K6+179.787，终止于K6+448.697，总长268.91m，车站基坑标准段宽23.2m，顶板覆土约0.8-4.4m，标准段底板埋深约22.8m。车站主体基坑距离周边建筑物较远，东南角为合肥市长安驾校、合肥长途客运站、金色梧桐30层商住楼及一些低矮商铺和住宅，东北角为低、多层商铺和住宅，西北角为合肥市邮政速递局等低、多层建筑，车站北侧为即将拆除的老淮南铁路。拟建场地地形较为平坦，微地貌单元属于南淝河一级阶地。
车站设计采用明挖顺做法施工，即开挖至基坑底后顺作车站底、中、顶板及侧墙和其他结构，围护结构采用地下连续墙+内支撑的支护方式，内支撑为第一道钢筋混凝土支撑+四道钢支撑。由于三号出入口作为出土口，如果继续将第一道支撑作为钢筋混凝土支撑施工很难实现，所以将三号出入口处的内支撑换做钢支撑，为基坑出土留出足够的空间。
2.数值计算
2.1计算参数的选取
根据施工勘察报告，将土层做了相应简化，划分的土层及各层土体的力学计算参数见表1所示。地下连续墙为C35混凝土，用线弹性梁单元模拟计算，根据经验将弹性模量E取为30GPa，泊松比取0.20，重度为25 ；各支撑采用线弹性桁架单元模拟，弹性模量E取200GPa，泊松比0.30。结构所受恒荷载为自重与土压力，活荷载为地面超载，取20kPa。见表 1。
主体围护结构：1000mm厚地下连续墙，五道内支撑，钢管内支撑直接采用609mm，壁厚t=16mm，可施加预压力；第 1道支撑在地表下 2.3m，第2道支撑为地表下5.8m，第3道支撑为地表下10.55m，第四道支撑为地表下14.75m，第五道支撑为地表下18.28m。钢筋混凝土支撑采用C30混凝土，截面尺寸1000mm×800mm。分析比较内支撑采用钢管和钢筋混凝土情况下基坑支护特性的变化，因此，按以 2个方案进行计算分析： 表2 计算方案
2.2计算模型的建立
基坑标准段宽为23.2m，深为21.8m，地下连续墙深取34.8m，计算边界的范围大小对模拟结果的精度有很大的影响，依据圣维南原理，开挖区域一般选开挖尺寸的2～4倍比较合理，取143.2m×70m（宽×深）建立二维模型，计算网格共有3640个单元，3716个节点。模型的左右边界采用法向约束，底边采取固端约束，计算模型如图1所示。
2.3计算结果的分析
2.3.1开挖步骤
模型计算分为8个步骤：第1步：初始地应力分析，第2步：浇筑地连墙，第3步：开挖+第一道混凝土支撑；第4步：开挖+第二道钢支撑；第5步：开挖+第三道钢支撑；第6步：开挖+第四道钢支撑；第7步：开挖+第五道钢支撑；第8步：开挖到坑底。变更方案是把第三步的钢筋混凝土支撑更改为钢支撑，其他施工步骤完全一样。
2.3.2计算结果的分析
3.地连墙侧移分析
地连墙的作用主要是抵抗基坑开挖卸荷导致墙背侧土体向坑内滑动，从而保证基坑开挖的安全。基坑开挖过程后，土体的应力状态发生改变，围护墙受力开始产生变形，当基坑内侧卸去原有的土压力时，墙外侧受到主动土压力，在坑底的墙内侧受到部分被动土压力[6]。下图为各开挖步两种方案地连墙的水平侧移对比图：
由上图可以看出，随着开挖深度的加深，地连墙的侧移值不断的增大，并且侧移最大值随着开挖深度的加深而加深，在开挖到坑底时，侧移值达到最大，并且开挖变化趋势都呈现出中间大两头小的弓型曲线，更改后的方案最大侧移发生在坑深15m附近，达到10.05mm，仅为开挖深度的0.046%，原方案最大侧移发生在坑深14.5m附近，达11.23mm，仅为开挖深度的0.051%。远小于规范规定的0.3%H（H为开挖深度）。更改后的方案地连墙侧移值比更改前的小1.18mm，说明钢支撑代替混凝土支撑的起到了良好的效果。
4.地表沉降分析
基坑开挖过程中，地连墙受力产生变形，使得基坑外围土体的原始应力状态改变而引起地层移动，使得地面发生沉降 。对周围地表做好沉降监测，保证周围建构筑物的安全，是施工中必不可少的内容。根据数值模拟结果，分别作出两种方案的地表沉降图，如下图所示：由图可以看出，最大沉降并不是发生在坑壁附近，而是在距基坑边15m左右的位置，原方案最大沉降值为12mm，更改后的方案最大沉降值为16.6mm，更改后的方案比原方案的沉降值大4.6mm，均小于地表沉降的警戒着30mm，说明钢筋混凝土支撑对控制地表沉降的效果比钢支撑要好。
5.结论
（1）采用有限元分析软件MIDAS-GTS/NX对原方案和更改方案进行了数值模拟，得出地连墙的最大侧移值随着开挖深度的加深而增大，并且最大值并不是出现在坑底，而是出现在距开挖深度 位置附近，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑和钢支撑时，地连墙的最大侧移值分别为11.23mm和10.05mm，二种方案的差别并不大。
（2）两种方案地表沉降最大值均发生在距离基坑边缘15m左右的位置，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑时，最大值为12mm，采用钢支撑时，最大沉降值为16mm，说明采用钢筋混凝土支撑对控制地表沉降的效果比钢支撑好。
（3）通过数值分析得出第一道钢支撑代替钢筋混凝土的方案是可行的，结果可供类似工程做参考。
【参考文献】
[1]刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.
[2]张旷成，李继民.杭州地铁湘湖站“08.11.15”基坑坍塌事故分析[J].岩土工程学报，2010，32（增刊）：338-342.
[3]孙凯，许振刚，刘庭金等.深基坑的施工监测及其数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（2）：293-298.
[4]张忠苗，房凯，刘兴旺等.粉砂土地铁深基坑支撑轴力监测分析[J].岩土工程学报，2010，7（增1）：426-429.
[5]刘树亚， 潘晓明，欧阳蓉，余志江.用钢筋混凝土支撑代替钢支撑的深基坑支护特性研究[J].岩土工程学报，2012，11（增1）：309-314.
[6]施成华，彭立敏.基抗开挖及降水引起的地表沉降预测[J].土木工程学，2006，39（5）：117-121.