近年来城市轨道交通迅猛发展，地铁车站深基坑工程越来越多。深基坑开挖过程中，围护结构水平位移是反映基坑安全的重要指标，也是现场监测的重点项目。围护结构水平位移过大既影响基坑开挖过程中的安全，也易导致周边建 (构) 筑物倾斜、开裂 ^[1,2,3,4]。

　　 以苏州市轨道交通5号线某车站深基坑项目为依托，分析施工监测数据，并运用MIDAS/GTS NX有限元软件模拟基坑开挖及回筑施工，研究围护结构水平位移发展规律。

　　 苏州市轨道交通5号线某地下2层车站标准段结构宽22.7m，端头井段结构宽26.8m，标准段基坑深约16.7m，端头井段基坑深约18.2m。基坑开挖分两期进行，中间设置1道800mm厚地下连续墙作为临时封堵，首先施工西区基坑，西区基坑总长80.9m。

　　 基坑围护结构采用地下连续墙+内支撑的支护形式，并设置1排临时立柱桩增加支撑稳定性。地下连续墙厚800m，插入比约为0.80。基坑竖向设置1道800mm×900mm钢筋混凝土支撑 (首道) +4道609×16钢支撑，端头井地下2层设置1道609×16换撑。西区基坑监测平面布置如图1所示，标准段剖面如图2所示。

　　 本工程地质勘察深度范围内土层自上而下分别为: (1) 填土、 (3) ₁黏土、 (3) ₂粉质黏土、 (3) ₃粉土、 (4) ₂粉砂夹粉土、 (5) ₁粉质黏土、 (7) ₁粉质黏土、 (7) ₂粉砂夹粉土、 (7) ₃粉质黏土、 (7) ₄粉土夹粉砂、 (8) ₂粉质黏土、 (9) 粉砂、 (10) ₁粉质黏土。最高潜水位标高2.630m，最低潜水位标高-0.210m，潜水位年变幅一般为1～2m。 (3) ₃粉土、 (4) ₂粉砂夹粉土为微承压水层且互相连通，稳定水头标高0.750m。 (7) ₂粉砂夹粉土为承压水层，承压水稳定水头标高-1.970m。土层物理力学参数如表1所示。

　　 本基坑自西向东施工，基坑开挖及回筑施工工序繁多，选取10个关键施工阶段监测数据进行分析，如表2所示 ^[5]。

　　 西区基坑监测等级为二级，监测项目控制值为35mm和0.25%H (H为基坑深度) 。基坑水平位移采用测斜仪监测，布设间距约20～40m ^[6]。监测频率为:基坑开挖深度<5m时1次/2d;基坑开挖深度5～15m时1次/d;基坑开挖深度>15m时2次/d。

　　 选取端头井段测点ZQT-01, ZQT-02, ZQT-03及标准段测点ZQT-05, ZQT-35进行分析，得到不同施工阶段围护结构水平位移，如图3～7所示。

　　 由图3～7可知，端头井段基坑虽较标准段基坑深1.5m，但整体刚度较大，开挖过程中围护结构水平位移较小。具体来看，当标准段测点ZQT-05, ZQT-35架设第5道支撑 (开挖深度约14m) 时，围护结构水平位移已与测点ZQT-01, ZQT-03开挖至坑底 (开挖深度约18.2m) 时的监测值相当。分析原因在于，设计时一般按断面计算基坑内力、变形和稳定性，由于端头井段基坑深度大于标准段，计算结果必然偏保守，因此端头井段基坑安全冗余度大于标准段，基坑风险点在标准段而非端头井段。

　　 由于测点ZQT-01, ZQT-03位于端头井段平面跨度较短的地下连续墙上，地下连续墙刚度较大，因此同等开挖条件下，测点ZQT-01, ZQT-03测得的地下连续墙水平位移小于测点ZQT-02，测点ZQT-01测得的地下连续墙水平位移大于测点ZQT-03，且在18.5m深度处出现明显的突变，可能由于此处采集数据有误造成的。

　　 架设第4, 5道支撑时，测点ZQT-03测得的围护结构水平位移在20m深度处存在突变，挖至坑底后恢复正常，应为数据采集失真。

　　 架设第3道支撑时，虽架设前的土方开挖过程较长，基坑暴露时间较长，但由于开挖深度较小，土压力较小，围护结构水平位移较小。

　　 架设第4, 5道支撑时，基坑开挖深度已>10m，土压力较大，虽第5道支撑架设及时，但考虑第3, 4道支撑架设完成时间较长，坑周土体已产生向坑内位移，且可能存在支撑预加轴力损失、周边挖土车荷载等因素，围护结构水平位移显著发展。

　　 第5道支撑架设完成至挖至坑底时，围护结构水平位移急剧发展，分析原因主要为: (1) 该阶段施工共用27d，是所有开挖工况中时间最长的，基坑开挖暴露时间过长，时空效应明显; (2) 为满足小型挖掘机通过要求，最下层土开挖深度较大，土体对围护结构产生的侧压力较大; (3) 第4, 5道支撑均为钢支撑，刚度较小，考虑预加轴力损失等因素，变形控制效果不理想。

　　 基坑挖至坑底后，及时浇筑垫层，后期底板、中板及顶板浇筑时围护结构水平位移趋于稳定，无显著变化。

　　 随着基坑开挖深度的增加，围护结构水平位移最大值出现位置逐渐向下偏移。整体上看，水平位移最大值发生在坑底以下2m范围内。

　　 由于围护结构及第1道混凝土支撑的整体刚度较大，形成类似门式刚架的结构体系，当围护结构深层水平位移较大时，桩顶出现向坑外位移，反弯点约在0.3倍基坑深度处。此时第1道支撑受拉，若采用钢支撑，可能产生支撑掉落风险，因此第1道支撑选用钢筋混凝土支撑较为合理。

　　 围护结构水平位移的发展主要在开挖阶段，垫层浇筑完成后水平位移基本稳定，由发展规律可知，取消地下2层换撑较为合理。

　　 考虑施工过程的复杂性，采用MIDAS/GTS NX软件建立基坑开挖及回筑阶段三维动态模型。土体选用实体单元模拟，并采用修正莫尔-库仑模型，该模型通过3个不同的输入刚度刻画土体在不同阶段的刚度，分别为三轴试验中极限强度50%位置处的割线弹性模量E₅₀、压密试验测得基准围压下的弹性模量E_oed及卸载/再加载时的弹性模量E_ur。数值模拟中，一般取E_oed=E₅₀≈E_s1-2和E_ur=3E₅₀。修正莫尔-库仑模型可反映模量依赖应力的情况。随着围压的增加，土体刚度也增加，与客观实际相符。因此，模拟分析采用的刚度值与参考应力有关，参考应力为土体受到的围压，一般取100kPa ^[7]，其余参数均按表1选取。模型水平边界采用对称边界条件，模型底部边界约束竖向位移。主要构件 (围护结构和主体结构) 单元尺寸控制为1.5～2m，土体边界处单元尺寸控制为10m。计算模型如图8, 9所示。

　　 与监测数据对应，关键施工阶段如表2所示。选取测点ZQT-05计算结果进行分析，围护结构水平位移如图10所示。有限元模拟得到的围护结构水平位移发展规律基本与监测结果相符，表现为以下方面。

　　 1) 基坑开挖至架设第4道支撑时，随着开挖深度的增加，围护结构水平位移稳定发展。

　　 2) 架设第5道支撑时，基坑开挖深度达13m，围护结构水平位移显著发展。第5道支撑起作用的时间虽最短，但该道支撑对水平位移发展的影响显著，加强该道支撑刚度可有效减小水平位移。

　　 3) 第5道支撑架设完成至挖至坑底时，围护结构水平位移急剧发展，桩顶向坑外位移明显。

　　 4) 垫层浇筑后围护结构水平位移发展趋于稳定，中板浇筑后水平位移小幅增加。

　　 5) 随着基坑开挖深度的增加，围护结构水平位移最大值出现位置逐渐向下偏移。整体上看，水平位移最大值出现在坑底附近。

　　 选取测点ZQT-05在施工阶段7的监测结果与计算结果进行对比，如图11所示，围护结构最大水平位移监测结果与计算结果对比如图12所示。

　　 由图11, 12可知，监测结果与计算结果存在一定差异，但发展规律基本吻合。基坑初始开挖至架设第4道支撑时，计算结果与监测结果差异较小。架设第5道支撑至挖至坑底时，监测结果大于计算结果。分析原因可能为: (1) 该施工阶段恰逢苏州梅雨季节，含水率的变化导致土体力学特性发生变化; (2) 由于基坑开挖较深、施工效率较低，且梅雨季节现场停工时间长，多种因素导致基坑暴露时间长，时空效应显著; (3) 重型挖土车在坑边滞留。垫层浇筑后，监测结果与计算结果均表明围护结构水平位移的发展基本稳定。

　　 综上，垫层浇筑前，特别是最下层土开挖阶段，遵循时空效应原理，加快施工速度、减少基坑暴露时间是控制基坑变形的有效手段。

　　 围护结构水平位移发展显著阶段主要为架设最下2道支撑及坑底开挖阶段。据此，提出2种针对性优化方案: (1) 方案1将最下2道支撑换成刚度较大的ф800×20钢支撑; (2) 方案2最下2道支撑增设钢支撑轴力自动补偿系统。

　　 运用MIDAS/GTS NX软件计算采取上述优化方案后的围护结构水平位移。由于前3个施工阶段水平位移没有变化，因此分析施工阶段4～10测点ZQT-05的计算结果，如图13, 14所示。

　　 采取方案1优化后与优化前 (原方案) 的围护结构水平位移发展规律基本一致。采取方案2后可明显看出，由于采用支撑轴力自动补偿系统，钢支撑轴力没有损失，因此第4, 5道支撑处围护结构水平位移被削弱，从而引起围护结构最大水平位移的降低。采取不同优化方案时施工阶段7围护结构水平位移如图15所示。

　　 采取不同方案优化后，测点ZQT-05处围护结构最大水平位移如图16及表3所示。

　　 根据计算结果可知，最下2道支撑采用刚度较大的800×20钢支撑，围护结构最大水平位移可降低8.0%;最下2道支撑采用钢支撑轴力自动补偿系统，围护结构最大水平位移可降低15.2%。考虑信息化施工趋势，地铁车站最下2道支撑增设钢支撑轴力自动补偿系统合理可行，可有效提高基坑开挖的安全性，降低对周边环境的影响。

　　 通过对苏州市轨道交通5号线某车站西区基坑开挖及回筑施工全过程进行模拟分析，并将计算结果与监测结果对比，得出以下结论。

　　 1) 由于土体本构模型和岩土参数选取存在不足，且数值模拟无法全面考虑现场具体情况，因此计算结果与监测结果有所差异，但围护结构水平位移发展趋势基本吻合。

　　 2) 端头井段基坑整体刚度较大，按断面计算时更保守，因此端头井段基坑安全冗余度大于标准段，基坑风险点在标准段而非端头井段。

　　 3) 地铁车站深基坑开挖风险主要集中在最下道支撑架设完成至挖至坑底阶段，该阶段围护结构水平位移急剧发展，考虑信息化施工趋势，地铁车站最下2道支撑增设钢支撑轴力自动补偿系统合理可行，可有效提高基坑开挖的安全性，降低对周边环境的影响。

　　 4) 基坑开挖阶段，特别是最下层土开挖阶段，遵循时空效应原理，加快施工速度、减少基坑暴露时间是控制基坑变形的有效措施。

　　 5) 当围护结构深层水平位移较大时，围护墙顶出现向坑外位移，反弯点约在0.3倍基坑深度处，第1道支撑应选用可承受拉力的钢筋混凝土支撑。

　　 6) 围护结构水平位移的发展主要在开挖阶段，垫层浇筑后围护结构水平位移基本稳定，结合水平位移发展规律可知取消地下2层换撑较为合理。