吳明澤，吳景華，黎 浩

(長春工程學(xué)院，長春 130021)

地鐵車站深基坑開挖監(jiān)測與數(shù)值模擬研究

吳明澤，吳景華，黎 浩

(長春工程學(xué)院，長春 130021)

以鄭州市某地鐵車站的深基坑工程為研究背景，運(yùn)用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX建立整體有限元模型，對基坑開挖的每步施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。探討了深基坑開挖過程中地連墻的水平位移、周圍地表沉降及內(nèi)支撐軸力分布情況，用于判定深基坑在開挖過程中的穩(wěn)定性和安全性。同時分別對深基坑開挖過程中周圍的建筑物沉降、墻頂水平位移和沉降及支撐軸力進(jìn)行了監(jiān)測，并與數(shù)值模擬值進(jìn)行對比。結(jié)果表明：理論計(jì)算值與現(xiàn)場監(jiān)控值變化趨勢基本一致，結(jié)果誤差不大，均在設(shè)計(jì)報(bào)警值以內(nèi)；墻體水平位移隨著開挖深度增加而增大，且最大的位移逐漸向下移動，土體地表沉降的變形基本隨著開挖深度的增大而逐漸增大，但內(nèi)支撐軸力不隨開挖深度的增大而增大，而是呈現(xiàn)波動的變化趨勢；在深基坑開挖過程中，應(yīng)重點(diǎn)對開挖引起的對墻體變形、地面過大變形和支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測。研究結(jié)果表明監(jiān)控量測與數(shù)值模擬相結(jié)合能較好地運(yùn)用于基坑開挖，也可為類似基坑工程的開挖提供一定的借鑒作用。

深基坑開挖；地鐵車站；現(xiàn)場監(jiān)測；數(shù)值模擬；變形；內(nèi)支撐軸力

0 引言

近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，很多城市都開始修建地鐵，深基坑工程是地鐵項(xiàng)目的一個重要組成部分，其規(guī)模越來越大，深度越來越深，因此深基坑開挖和支護(hù)成為地鐵工程的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[1]，由于基坑開挖引起的變形會對周邊建筑物構(gòu)成威脅[2]，使得在施工期間引起的基坑變形及基坑穩(wěn)定狀況成為許多設(shè)計(jì)和施工單位廣泛關(guān)注的問題之一[3-4]，故有必要對支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境實(shí)施監(jiān)測[5]，為勘察設(shè)計(jì)施工部門及時提供監(jiān)控資料，避免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響[6]。目前，監(jiān)控量測技術(shù)在許多工程[7-8]中得到了廣泛應(yīng)用，同時隨著有限元理論及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬成為地下工程施工研究的一種有力工具[9-10]，在開挖之前對基坑進(jìn)行數(shù)值模擬較為重要[11]，可有效地減小工程事故的發(fā)生。

國內(nèi)許多學(xué)者對基坑工程研究采用的方法各有差異。文獻(xiàn)[12]通過建立天津地鐵深基坑的有限元模型進(jìn)行分析，確定了該地區(qū)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[13-14]分別對上海和南京地區(qū)基坑開挖的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和統(tǒng)計(jì)，分別確定該地區(qū)的基坑測斜指標(biāo)；文獻(xiàn)[15]基于大量的工程統(tǒng)計(jì)資料和基坑周圍環(huán)境對附加變形的承受能力，分別提出了確定深基坑變形控制指標(biāo)的兩種方法。本文基于鄭州軌道交通3號線某地鐵車站深基坑工程為研究背景，通過有限元分析方法預(yù)測基坑開挖過程中的土層及建筑物變形和支護(hù)應(yīng)力變形規(guī)律，同時進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，并將兩者結(jié)果進(jìn)行對比分析，得到了基坑開挖中土層及建筑物的變形規(guī)律和支護(hù)應(yīng)力分布規(guī)律，以期對類似地區(qū)基坑工程監(jiān)測起到一定的借鑒作用。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

鄭州軌道交通3號線工程線路全長31.35 km，均為地下線路，設(shè)車站24座，中興路站為3號線的第19座車站，該站深基坑采用明挖順筑法施工，基坑總長323.74 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度24.75 m，端頭井及換乘節(jié)點(diǎn)寬度27.6 m，開挖深度26.05 m，頂板覆土約3.0 m(中心里程處) 。支護(hù)結(jié)構(gòu)為三跨三層框架結(jié)構(gòu)，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土支撐與鋼管撐的內(nèi)撐形式，其中鋼支撐采用Q235鋼材，冠梁與混凝土支撐采用C35混凝土。支護(hù)橫向剖面如圖 1所示。

圖1 框架支護(hù)結(jié)構(gòu)橫向剖面

1.2 工程水文地質(zhì)條件

本基坑所處地貌類型為黃河沖洪積平原，場地30 m深度范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)(Q4)地層，0～20 m主要地層為粉土、粉質(zhì)黏土，夾有粉砂、細(xì)砂，20～30 m主要地層為中密—密實(shí)細(xì)砂。本站圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要穿越地層自上而下依次為：①素填土，厚度為0.40～3.00 m；②32黏質(zhì)粉土，厚度為3.0 m；②22粉質(zhì)粉土，厚度為0.90～5.80 m；②34黏質(zhì)粉土，厚度為0.80～7.50 m；②23粉質(zhì)黏土，厚度為2.00～13.90 m；②34C粉砂，厚度為0.70～2.00 m；②35黏質(zhì)粉土，厚度為2.10～2.30 m；②36砂質(zhì)粉土，厚度為0.60～4.10 m；②36C粉砂，厚度為0.70～2.00 m；②51細(xì)砂，厚度為2.80～8.70 m；②52細(xì)砂，厚度為1.60～12.70 m；②52A黏質(zhì)粉土，厚度為0.40～9.40 m；③23粉質(zhì)黏土，厚度為2.00～13.90 m；③24粉質(zhì)黏土，厚度為1.30～10.60 m。土的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表 1。

基坑所在場地地下水主要為孔隙潛水，穩(wěn)定水位在12.4～21.2 m，每年6月—9月是地下水的補(bǔ)給期，雨量充沛，水位上升，每年12月—次年2月為排泄期，地下水位則下降，正常情況下地下水年變幅在2.0 m左右。

表1 土的物理力學(xué)性能指標(biāo)

表1(續(xù))

2 有限元模型建立與基坑支護(hù)分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 建立基坑模型(圖2)，根據(jù)基坑實(shí)際情況，首先建立基坑的幾何圖形，添加土體和基坑材料以及屬性；然后建立土體和基坑實(shí)體，劃分網(wǎng)格，析取1D，2D單元；最后定義邊界條件和約束，對基坑不同工況進(jìn)行模擬分析計(jì)算。

圖2 有限元模型圖

2.2 基坑支護(hù)分析

2.2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中興路站深基坑采用內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐體系由冠梁、鋼筋混凝支撐、混凝土腰梁、砼連系梁以及鋼管支撐和鋼聯(lián)系梁6部分組成。詳細(xì)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)為：第1道支撐為800 mm×1 000 mm的混凝土撐，撐在1 500 mm×1 200 mm的冠梁上，地下連續(xù)墻頂均設(shè)置冠梁，將連續(xù)墻連接為整體；第3道支撐為800 mm×1 000 mm的混凝土撐，撐在1 200 mm×1 200 mm的腰梁上，基坑設(shè)置2道腰梁，位置在第3道支撐和第4道端頭井位置；第2、4、5道支撐為鋼支撐，撐在地下連續(xù)墻上。標(biāo)準(zhǔn)段寬度23.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度24.75 m，端頭井寬度27.6 m，開挖深度26.05 m。

2.2.2 深基坑開挖過程模擬

根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)程分為以下工況：

1)工況1：施工圍擋，進(jìn)行場地平整和交通疏導(dǎo)，進(jìn)行地下連續(xù)墻修建，布置降水井降水。

2)工況2：進(jìn)行基坑開挖至第1道鋼筋混凝土支撐下，第1道鋼筋混凝土支撐與冠梁同時澆筑成整體。

3)工況3：進(jìn)行基坑開挖至第2道鋼管支撐下0.5 m，架設(shè)第2道鋼管支撐。

4)工況4：進(jìn)行基坑開挖至第3道混凝土支撐下0.5 m，第3道鋼筋混凝土支撐與腰梁同時澆筑成整體。

5)工況5：進(jìn)行基坑開挖至第4道鋼管支撐下0.5 m，架設(shè)第4道鋼管支撐。

6)工況6：進(jìn)行基坑開挖至第5道鋼管支撐下0.5 m，架設(shè)第5道鋼管支撐。

7)工況7：開挖土體至基坑底部，澆筑墊層素混凝土、施做防水層及鋼筋混凝土底板。

對以上工況進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算。

2.2.3 深基坑模擬結(jié)果分析

2.2.3.1 地連墻水平位移分析

對基坑標(biāo)準(zhǔn)段中心位置處進(jìn)行地連墻隨基坑開挖的水平位移數(shù)據(jù)分析如圖3～5所示。從圖4可以得出，地連墻水平位移隨著開挖深度的增加不斷增加，并且最大水平位移不斷下移。工況2施工結(jié)束時，最大水平位移為3.5 mm，；工況5施工結(jié)束，最大水平位移為4.5 mm；開挖完畢時，最大水平位移為6.5 mm，位移均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

圖3 開挖完成后地連墻水平位移云圖

圖4 地連墻水平位移曲線圖

圖5 開挖完成后周圍地表沉降云圖

2.2.3.2 周圍地表沉降

對基坑標(biāo)準(zhǔn)段中心位置一點(diǎn)，到距基坑50 m范圍內(nèi)的地表沉降隨基坑開挖進(jìn)行分析如圖6所示。從圖6可以得出隨著基坑的開挖，地表沉降值不斷增大，并且最大沉降值位置不斷地向外延伸，開挖完第3層土?xí)r，最大沉降為-6.02 mm，距基坑邊為10 m；開挖完成時，最大沉降位置距基坑邊約18 m，最大值為-13.5 mm。

圖7為基坑標(biāo)準(zhǔn)段中間位置處各道支撐在各個工況下的軸力圖，從圖7可以看出每道支撐軸力隨基坑開挖深度而增加。并且第2道支撐軸力先增加后減小，這是因?yàn)殡S著開挖深度增大，墻體發(fā)生水平位移，支撐受到水平方向的壓力增大，導(dǎo)致第2道鋼支撐先增大，而第4道第5道鋼支撐距離較近，施工間隔較短，受到的影響也比較小。

圖6 地表沉降曲線

圖7 各工況下支撐軸力曲線圖

3 基坑監(jiān)測

3.1 監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)布置

3.1.1 圍護(hù)墻頂水平位移及沉降監(jiān)測

墻頂水平位移的監(jiān)測點(diǎn)布置在地下連續(xù)墻的冠梁上，采用經(jīng)緯儀進(jìn)行測量，基坑共布置57個測點(diǎn)，測點(diǎn)編號為QDS1～QDS57；墻頂沉降的監(jiān)測點(diǎn)布置在冠梁上，使用測斜管及測斜儀器，共布置測點(diǎn)57個，測點(diǎn)編號為QDC1～QDC57。

3.1.2 周邊地表的沉降

周邊建筑沉降測點(diǎn)布置在基坑周邊需保護(hù)的建筑物上，采用水準(zhǔn)儀或經(jīng)緯儀進(jìn)行測量，布置37個測點(diǎn)，測點(diǎn)編號DBC1～DBC37。

3.1.3 支撐軸力

支撐結(jié)構(gòu)的軸力測點(diǎn)布置在支撐端部或中部，該處軸力較大，上下層對齊布置，采用軸力計(jì)進(jìn)行測量，布置50個測點(diǎn)，測點(diǎn)編號為ZL1～ZL50。

3.2 監(jiān)控指標(biāo)

在一般工程情況下，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值的80%時，視為已達(dá)到監(jiān)測預(yù)警狀態(tài)，即開始啟動各項(xiàng)預(yù)警措施。依據(jù)GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[16]要求，各監(jiān)測項(xiàng)目報(bào)警值見表 2。

表2 監(jiān)測報(bào)警值

4 監(jiān)控量測及數(shù)值分析結(jié)果

深基坑開挖過程中根據(jù)相應(yīng)的工況進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)控，分別采用數(shù)值模擬與監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行基坑開挖控制，由于監(jiān)控內(nèi)容的測點(diǎn)較多，本文基于監(jiān)測內(nèi)容分別在相應(yīng)工況最不利情況監(jiān)測點(diǎn)比較分析。針對本工程選取標(biāo)準(zhǔn)段以及盾構(gòu)段具有代表性的監(jiān)測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點(diǎn)布置圖

4.1 墻頂位移水平及沉降的結(jié)果比較

墻頂水平位移及沉降測點(diǎn)數(shù)量較多，此處給出不同工況下比較有代表性標(biāo)準(zhǔn)段和盾構(gòu)段的3個測點(diǎn)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行監(jiān)測值與數(shù)值模擬值的比較。結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，墻頂部最大的水平位移和沉降的計(jì)算值與監(jiān)測值結(jié)果有些誤差，但差別不大，說明建立的三維有限元模型能夠滿足要求。隨著開挖深度的增加，無論是計(jì)算結(jié)果還是監(jiān)測結(jié)果都表明，測點(diǎn)水平位移均隨著開挖深度的增加而增大，且計(jì)算值與監(jiān)控值均在設(shè)計(jì)報(bào)警值范圍以內(nèi)。

4.2 周邊地表沉降的結(jié)果比較

周邊地表沉降測點(diǎn)數(shù)量較多，此處給出不同工況下距離基坑2 m處比較有代表性的3個測點(diǎn)數(shù)據(jù)，其余測點(diǎn)數(shù)值此處不再給出。為了編號方便，相應(yīng)編號命令為DBC1～DBC3，結(jié)果如圖10所示。

圖9 墻頂水平位移

圖10 周圍地表沉降

由圖10可知，基坑周邊地表最大沉降的計(jì)算值與監(jiān)控值變化趨勢總體相似，隨著開挖深度的增大，最大沉降的計(jì)算值與監(jiān)控值也在增大，結(jié)果也存在誤差，但差別都不大，計(jì)算值與監(jiān)控值最大差值在1.55 mm，說明有限元計(jì)算能較好地與監(jiān)控值吻合，且沉降值均在設(shè)計(jì)報(bào)警值范圍以內(nèi)。

4.3 支撐軸力的結(jié)果比較

支撐軸力的測點(diǎn)數(shù)量較多，此處給出不同工況下第1道混凝土支撐不同位置的3個測點(diǎn)數(shù)據(jù)以及第4道鋼支撐不同位置的3個測點(diǎn)數(shù)據(jù)。為了編號方便，混凝土支撐軸力較大值的相應(yīng)編號令為HZL1～HZL3，鋼管支撐軸力較大值的相應(yīng)編號令為GZL1～GZL3，，詳細(xì)結(jié)果如圖11～12所示。

由圖11～12可知，混凝土支撐和鋼管支撐的軸力變化規(guī)律與計(jì)算結(jié)果基本一致，但監(jiān)測值普遍比計(jì)算值小。這可能主要在于：建模型計(jì)算時，地下連續(xù)墻與混凝土及鋼管支撐之間是緊密連接的，在內(nèi)、外壓力荷載的作用下能更好地發(fā)揮功能，使得計(jì)算值普遍大于實(shí)測值。同時，在基坑開挖及支護(hù)過程中，地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐之間是有空隙的，在荷載的作用下，兩者壓緊后才會受力，這樣測得的混凝土及鋼管支撐軸力就會比理論計(jì)算值小。再加上施工監(jiān)測過程中，軸力監(jiān)測的應(yīng)變片要在內(nèi)支撐全部安裝完成后才開始焊接，一部分軸力就沒能測到，使得支撐軸力的監(jiān)測值偏小。

圖11 第1道混凝土支撐軸力變形曲線圖

圖12 第4道鋼支撐軸力變形曲線圖

5 結(jié)語

通過建立鄭州某地鐵深基坑的整體有限元模型，對基坑開挖施工過程進(jìn)行模擬分析，同時進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，可以得出如下結(jié)論：

1)墻體水平位移也隨著開挖不斷增大，且最大位移隨著開挖深度一段下移。墻頂水平位移及沉降的計(jì)算值與監(jiān)控值變化趨勢總體相似，基本隨著開挖深度的增加而逐漸加大，但兩者結(jié)果誤差不大，位移量在設(shè)計(jì)報(bào)警值范圍以內(nèi)。

2)基坑周圍地表沉降隨著基坑的開挖，地表沉降值位置不斷增大，并且最大沉降值位置不斷地向外延伸。計(jì)算值與監(jiān)控值誤差較小且在設(shè)計(jì)報(bào)警值范圍以內(nèi)，但在基坑開挖過程中最大位移不斷增大，應(yīng)加大對周圍地表沉降的監(jiān)測。

3)在深基坑開挖的整個過程中，每層支撐結(jié)構(gòu)的軸向壓力并不隨著開挖深度的增加而增大，隨著基坑開挖深度的加大，地連墻水平位移逐漸加大，支撐受到的水平力加大，因此，支撐軸力主要還是呈現(xiàn)波動的變化趨勢。

4)理論計(jì)算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致，結(jié)果也較為接近，說明建立的三維有限元模型能夠滿足要求。

[1] 李磊，段寶福.地鐵車站深基坑工程的監(jiān)控量測與數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013(32)：2684-2691.

[2] 肖武權(quán)，冷伍明，律文田.某深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(8)：1271-1274.

[3] 史佩棟.深基礎(chǔ)工程特殊技術(shù)問題[M].北京：人民交通出版社，2004.

[4] 梅傳書，嚴(yán)馳，陸紅，等.高層建筑基坑開挖的數(shù)值分析研究及工程應(yīng)用分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2001，22(3)：81-87.

[5] 倪士良.淺談深基坑支護(hù)工程的變形與監(jiān)測[J].商品混凝土，2013(6)：144-145.

[6] 江霞，楊小軍.基坑位移監(jiān)測技術(shù)[J].建筑技術(shù)，2004(5)：347-348.

[7] 熊孝波，孫鈞，徐偉，等.潤揚(yáng)大橋南汊北錨碇深基坑開挖工程實(shí)踐[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003(3)： 157-162.

[8] 安關(guān)峰，宋二祥.廣州地鐵琶州塔展工程基坑監(jiān)測分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005(3)： 333-337.

[9] 高盟，高廣運(yùn)，馮世進(jìn)，等.基坑開挖引起緊貼運(yùn)營地鐵車站的變形控制研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(6)：818-823.

[10] POTTS D M，F(xiàn)OURITE A B.The behavior of a popped retaining wall，result of a numerical experiment[J].Geotechnique，1984，34(3)：383-404.

[11] 胡安峰，張光建，王金昌，等.地鐵換乘車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34(Z1)：77-81.

[12] 劉潤，閆澍旺，張啟斌，等.天津地區(qū)地鐵深基坑施工安全控制標(biāo)準(zhǔn)研究[J].巖土力學(xué)，2007，28(7)： 1512-1517.

[13] 劉濤.基于數(shù)據(jù)挖掘的基坑工程安全評估與變形預(yù)測研究[D].上海： 同濟(jì)大學(xué)，2007.

[14] 袁登科，劉國彬.南京地區(qū)深基坑測斜警戒值的探討[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(10)： 1567-1570.

[15] 徐中華，王衛(wèi)東.深基坑變形控制指標(biāo)研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6(3)： 620-626.

[16] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB 50497—2009 建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2009.

TheMonitoringandNumericalSimulationofDeepFoundationExcavationofSubwayStation

WU Ming-ze，et al.

(ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

Based on the deep foundation excavation in subway stations in Zhengzhou，the software MIDAS/GTS NX has been used to set up the finite element model to carry out the numerical simulation to deep foundation excavation under each construction process.The horizontal displacement，the settlement of the surrounding surface and the distribution of the internal support axial force during the excavation of the deep foundation pit are discussed in this article.It is used to determine the stability and safety of the deep foundation pit during excavation.At the same time，during the excavation of deep foundation pit，the settlement of the surrounding buildings，the horizontal displacement and settlement of the roof，and the supporting axial force are monitored respectively，and compared with the numerical simulation values.The results show that the calculated value is consistent with the change trend of the field monitoring value，and the calculated result is with not much error，both are within the design alarm range of value；the horizontal displacement of the wall increases with the excavation depth，while the maximum displacement gradually moves downwards.The deformation of the soil subsidence settlement gradually increases with the depth of the excavation，while the internal support axial force does not increase with the increase of the excavation depth，but with the trend of the fluctuation；in the process of deep foundation pit excavation，the monitoring should be focused on the excavation caused by the deformation of the wall，the large deformation of the ground，and the support structure.The results show that the combination of monitoring and numerical simulation can be applied to foundation pit excavation and can also provide some reference for excavation of similar foundation pit construction.

deep foundation pit excavation；subway stations；in-situ monitoring；numerical simulation；deformation；inner-support axle-forces

2017-03-29

吳明澤(1991-)，男(漢)，鄭州，在讀碩士主要研究巖土工程。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.003

TU753.1

A

1009-8984(2017)03-0009-07