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[摘要]结合武汉地铁3号线某换乘车站基坑，采用理论分析结合数值模拟的方法分析坑中坑偏压基坑的变形机理，围护结构的变形特点，提出改善坑中坑受力措施及支撑体系设计方法。结果表明：不对称坑中坑在开挖过程中，支护体系的变形与常规对称基坑不同，受内坑开挖影响，基坑左右侧围护桩的变形不对称，总体而言桩体上部水平位移向外坑侧偏移；内、外坑之间未开挖土体应力状态复杂，在设计及施工过程中应重视该区域，通过调整施工工序，先施做外挂底板再进行内坑开挖能有效改善基坑变形；在偏压作用下，基坑支撑设计应对支撑体系进行整体平面计算，分析支撑的受力及变形，应对支撑水平向钢筋进行加强。
[关键词]地铁换乘站；偏压基坑；变形；数值分析
1、引言
随着我国经济的快速发展，我国城市化进程越来越快，但随之而来的交通拥堵问题已经成为了许多城市在发展过程中面临的难题。城市轨道交通具有快速、大运量、方便、准时、舒适、节能等特点，在解决交通拥堵问题上有着其它交通工具不可代替的作用，随着地铁线路的日益增多，线网之间的换乘站也日益增多，结构设计变得越来越复杂。换乘节点基坑一般存在形状不规则、深浅坑等特点，给基坑支护设计带来新的难题。
目前，已有学者对坑中坑的受力及变形特点做了研究。申明亮等分析了内坑影响的基坑被动土压力叠加算法并对基坑应力场进行了参数化分析；田亚光结合工程实践，提出了坑中坑基坑工程在设计和施工中应注意的问题；唐文鹏结合实例給出了偏压基坑设计的基本思路和具体的计算过程，并通过分析计算结果提出偏压基坑需要注意的事项。尽管坑中坑已逐渐引起工程设计人员的重视，并开展了相关研究，取得了有益的成果，但当前的主要研究内容集中在基于对称基坑的开挖，而基于整体考虑的非对称坑中坑的开挖对于支护结构的变形特性分析较少，特别是针对偏压基坑的受力及变形特点尚未提出较好的设计计算方法及改善措施，现有研究成果难以运用于实际工程。
本文结合工程实例，对坑中坑偏压基坑进行有限元数值模拟，分析偏压基坑在开挖过程中的受力及变形特点，指出偏压基坑设计中的重难点，为以后换乘车站偏压基坑的设计提供参考。
2、坑中坑偏压基坑变形机理分析
基坑工程的特殊性在于开挖卸荷，对于坑中坑，基坑开挖一般分为2个阶段，第一阶段挖除外坑（5区）的全部土体，第二阶段挖除内坑（6区）的土体。在基坑开挖过程中，不同部位的土体在卸荷时的应力路径是不一样的，详见附图1所示。
1、4区（侧向卸荷）：在基坑开挖前，这一区土体竖直方向的自重应力是大主应力a1，水平方向的静止土压力是小主应力a3，随着基坑的开挖，支护结构向坑内发生侧移，基坑壁的水平位移不断增大，土体侧应力减小，竖向应力变化幅度很小，可认为其保持不变。水平向应力介于静止土压力和主动土压力之间；
2区（轴向卸荷）：坑底土体由于上部土体被挖除，上覆土压力减小，土体发生轴向卸荷。
3区（过渡区域）：该区域的土体既有侧向卸荷也有轴向卸荷，属于卸荷过渡区，在基坑开挖过程中，土体水平向和竖向应力都改变，主应力的方向发生转动。该区域应力状态较为复杂。
3、工程概况
武汉市轨道交通3号线某换乘站位于东风大道与车城北路交汇处，为3、6号线换乘站，换乘方式为T形换乘，3号线为地下三层站，6号线为地下两层站，换乘节点与外挂风亭合建。车站长约187m，标准段宽23.1m，换乘节点段基坑外包宽度约46.7m，主体结构基坑深度约24.6m，换乘节点外挂段基坑深度约18.2m。换乘节点与主体结构一同开挖，围护结构采用1200@1500钻孔灌注桩+五道内支撑体系，其中1-4道为钢筋砼支撑，第5道为钢支撑。换乘节点围护结构典型横断面如图2所示。
根据地勘报告，本站场区地层从上到下主要为1-2素填土、10-3粉质粘土、侣黏土、15a-1强风化泥质粉砂岩、15a-2中风化泥质粉砂岩、15a-a泥质粗砂岩。
4、有限元计算模型
本次研究采用有限元计算软件Plaxis 2D进行计算分析。3层段基坑标准段宽23.4m，深24.6m，外挂段基坑宽46.7m，深18.2m，计算模型长110m，高55m。基坑的位移边界为：模型顶部为自由边界；模型的左、右边界采取法向约束；模型的下边界为固定约束。地面超载取20kPa，作用宽度为10m。土体采用硬化土模型（HS）模拟，支护桩用板单元来模拟，支撑用点对点锚杆来模拟，计算参数按表1～表3取值。计算模型如图3所示。
5、计算结果
基坑开挖过程就是土体卸荷的过程，对于普通基坑，由于土体卸荷，支护桩向基坑内侧移动；对于坑中坑引起的偏压基坑，由于受内坑开挖的影响，支护桩的受力及变形与常规的基坑不同，现结合有限元计算结果对坑中坑支护桩的水平位移进行分析。支护桩的水平位移如图4所示。
（1）对于左侧支护桩，在基坑开挖过程中，桩体水平位移呈“鼓肚状”，且随着基坑开挖深度的增加，最大水平位移值不断加大，最大位移的位置也不断下移，且由于开挖3区土体既有侧向卸荷，也有轴向卸荷，内坑开挖过程中，桩体位移变化较大，最大位移值由17.6mm增大到25.3mm，最大位移的位置变化较小，稍有下移。
（2）对于右侧支护桩，随着基坑开挖深度的增加，桩体的水平位移不断加大，但变化趋势与左侧桩差别较大。当基坑开挖较浅时（图中施做第二道支撑工况），两侧支护桩嵌固深度均较长，左右两侧桩体的变形基本一致；随着基坑开挖深度的加大，左右两侧桩体由于不对称受力，左侧桩体持续向坑内变形，右侧桩体受上部支撑传力影响，桩身上部和下部发生反向倾斜，上部向坑外变形，下部向坑内变形。
（3）对于中间支护桩，前期上部基坑开挖对桩体位移基本无影响，随着内坑的开挖，3区土体应力状态较复杂，首先上部基坑开挖导致轴向卸荷，其次内侧基坑开挖导致侧向卸荷，同时受到左侧及中间支护桩和其间内支撑作用，中间支护桩上部向坑外发生较大变形，下部向基坑内侧变形。
[关键词]地铁换乘站；偏压基坑；变形；数值分析
1、引言
随着我国经济的快速发展，我国城市化进程越来越快，但随之而来的交通拥堵问题已经成为了许多城市在发展过程中面临的难题。城市轨道交通具有快速、大运量、方便、准时、舒适、节能等特点，在解决交通拥堵问题上有着其它交通工具不可代替的作用，随着地铁线路的日益增多，线网之间的换乘站也日益增多，结构设计变得越来越复杂。换乘节点基坑一般存在形状不规则、深浅坑等特点，给基坑支护设计带来新的难题。
目前，已有学者对坑中坑的受力及变形特点做了研究。申明亮等分析了内坑影响的基坑被动土压力叠加算法并对基坑应力场进行了参数化分析；田亚光结合工程实践，提出了坑中坑基坑工程在设计和施工中应注意的问题；唐文鹏结合实例給出了偏压基坑设计的基本思路和具体的计算过程，并通过分析计算结果提出偏压基坑需要注意的事项。尽管坑中坑已逐渐引起工程设计人员的重视，并开展了相关研究，取得了有益的成果，但当前的主要研究内容集中在基于对称基坑的开挖，而基于整体考虑的非对称坑中坑的开挖对于支护结构的变形特性分析较少，特别是针对偏压基坑的受力及变形特点尚未提出较好的设计计算方法及改善措施，现有研究成果难以运用于实际工程。
本文结合工程实例，对坑中坑偏压基坑进行有限元数值模拟，分析偏压基坑在开挖过程中的受力及变形特点，指出偏压基坑设计中的重难点，为以后换乘车站偏压基坑的设计提供参考。
2、坑中坑偏压基坑变形机理分析
基坑工程的特殊性在于开挖卸荷，对于坑中坑，基坑开挖一般分为2个阶段，第一阶段挖除外坑（5区）的全部土体，第二阶段挖除内坑（6区）的土体。在基坑开挖过程中，不同部位的土体在卸荷时的应力路径是不一样的，详见附图1所示。
1、4区（侧向卸荷）：在基坑开挖前，这一区土体竖直方向的自重应力是大主应力a1，水平方向的静止土压力是小主应力a3，随着基坑的开挖，支护结构向坑内发生侧移，基坑壁的水平位移不断增大，土体侧应力减小，竖向应力变化幅度很小，可认为其保持不变。水平向应力介于静止土压力和主动土压力之间；
2区（轴向卸荷）：坑底土体由于上部土体被挖除，上覆土压力减小，土体发生轴向卸荷。
3区（过渡区域）：该区域的土体既有侧向卸荷也有轴向卸荷，属于卸荷过渡区，在基坑开挖过程中，土体水平向和竖向应力都改变，主应力的方向发生转动。该区域应力状态较为复杂。
3、工程概况
武汉市轨道交通3号线某换乘站位于东风大道与车城北路交汇处，为3、6号线换乘站，换乘方式为T形换乘，3号线为地下三层站，6号线为地下两层站，换乘节点与外挂风亭合建。车站长约187m，标准段宽23.1m，换乘节点段基坑外包宽度约46.7m，主体结构基坑深度约24.6m，换乘节点外挂段基坑深度约18.2m。换乘节点与主体结构一同开挖，围护结构采用1200@1500钻孔灌注桩+五道内支撑体系，其中1-4道为钢筋砼支撑，第5道为钢支撑。换乘节点围护结构典型横断面如图2所示。
根据地勘报告，本站场区地层从上到下主要为1-2素填土、10-3粉质粘土、侣黏土、15a-1强风化泥质粉砂岩、15a-2中风化泥质粉砂岩、15a-a泥质粗砂岩。
4、有限元计算模型
本次研究采用有限元计算软件Plaxis 2D进行计算分析。3层段基坑标准段宽23.4m，深24.6m，外挂段基坑宽46.7m，深18.2m，计算模型长110m，高55m。基坑的位移边界为：模型顶部为自由边界；模型的左、右边界采取法向约束；模型的下边界为固定约束。地面超载取20kPa，作用宽度为10m。土体采用硬化土模型（HS）模拟，支护桩用板单元来模拟，支撑用点对点锚杆来模拟，计算参数按表1～表3取值。计算模型如图3所示。
5、计算结果
基坑开挖过程就是土体卸荷的过程，对于普通基坑，由于土体卸荷，支护桩向基坑内侧移动；对于坑中坑引起的偏压基坑，由于受内坑开挖的影响，支护桩的受力及变形与常规的基坑不同，现结合有限元计算结果对坑中坑支护桩的水平位移进行分析。支护桩的水平位移如图4所示。
（1）对于左侧支护桩，在基坑开挖过程中，桩体水平位移呈“鼓肚状”，且随着基坑开挖深度的增加，最大水平位移值不断加大，最大位移的位置也不断下移，且由于开挖3区土体既有侧向卸荷，也有轴向卸荷，内坑开挖过程中，桩体位移变化较大，最大位移值由17.6mm增大到25.3mm，最大位移的位置变化较小，稍有下移。
（2）对于右侧支护桩，随着基坑开挖深度的增加，桩体的水平位移不断加大，但变化趋势与左侧桩差别较大。当基坑开挖较浅时（图中施做第二道支撑工况），两侧支护桩嵌固深度均较长，左右两侧桩体的变形基本一致；随着基坑开挖深度的加大，左右两侧桩体由于不对称受力，左侧桩体持续向坑内变形，右侧桩体受上部支撑传力影响，桩身上部和下部发生反向倾斜，上部向坑外变形，下部向坑内变形。
（3）对于中间支护桩，前期上部基坑开挖对桩体位移基本无影响，随着内坑的开挖，3区土体应力状态较复杂，首先上部基坑开挖导致轴向卸荷，其次内侧基坑开挖导致侧向卸荷，同时受到左侧及中间支护桩和其间内支撑作用，中间支护桩上部向坑外发生较大变形，下部向基坑内侧变形。