深基坑施工監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬

劉振華

摘要：通過(guò)對(duì)廣州市軌道交通十三號(hào)線一期工程夏園站至南崗站區(qū)間設(shè)置的盾構(gòu)井兼軌排井深基坑施工過(guò)程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和地下連續(xù)墻水平位移進(jìn)行實(shí)際監(jiān)測(cè)和數(shù)值計(jì)算分析，研究了基坑施工過(guò)程圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征和對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生的影響，得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和基坑水平位移變化規(guī)律，為類似大跨度基坑施工和圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深基坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；施工監(jiān)測(cè)；軌道交通

中圖分類號(hào)：U453.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000033X（2016）06011605

0引言

隨著地鐵的廣泛建設(shè)，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了大量基坑工程，且基坑深度和規(guī)模越來(lái)越大，基坑施工和支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問(wèn)題越發(fā)重要[13]。如今基坑工程的設(shè)計(jì)，大多數(shù)是根據(jù)理論和工程經(jīng)驗(yàn)；但由于工程地質(zhì)條件的多樣性和不確定性，以及計(jì)算方法和參數(shù)選取沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)已難滿足深大基坑的設(shè)計(jì)要求，這給基坑工程的發(fā)展帶來(lái)了許多問(wèn)題[46]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷進(jìn)步，各種工程監(jiān)測(cè)方法日新月異，推動(dòng)了基坑工程的信息化施工[7]。本文在基坑施工進(jìn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，適時(shí)調(diào)整施工方案，確保安全施工；并且和數(shù)值模擬對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬和參數(shù)選取的可行性，為基坑設(shè)計(jì)提供參考。

1工程概況

本文的依托工程為廣州市軌道交通十三號(hào)線一期工程夏園站至南崗站區(qū)間設(shè)置的盾構(gòu)井兼軌排井。

盾構(gòu)井范圍內(nèi)管線較多，重點(diǎn)管線有2條，分別為埋深7.81 m的Φ1 000 mm混凝土排水管線和埋深1.55 m的Φ1 200 mm混凝土給水管線。其中，混凝土排水管線永久改遷至基坑西北側(cè)，其余管線均為臨時(shí)改遷。盾構(gòu)井周邊房屋建筑較少，北側(cè)為低層居民房，東側(cè)為黃埔東路，交通繁忙。

盾構(gòu)井場(chǎng)地范圍內(nèi)巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

本盾構(gòu)井處于珠江三角洲沖積平原下游地段，線路淺部主要地層為海陸交互相沉積層，因而地下水位較淺；勘察期間地下水水位埋深變化不大，穩(wěn)定

2基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)井采用明挖法施工，長(zhǎng)614 m，寬255 m，標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度2281 m，端頭井開(kāi)挖深度2382 m。主體結(jié)構(gòu)采用單層三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，全外包防水；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚連續(xù)墻加內(nèi)支撐圍護(hù)方案，連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)幅寬6 000 mm。基坑深度方向共設(shè)置4道內(nèi)支撐，其中第1、2、3道為混凝土支撐，第4道為鋼支撐。3道混凝土支撐和3道環(huán)梁一同澆筑，與連續(xù)墻共同組成圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于該基坑要滿足盾構(gòu)始發(fā)兼軌道吊裝要求，所以基坑水平方向只布置2道混凝土支撐，水平間距36 m。地下連續(xù)墻采用C30混凝土，混凝土支撐和環(huán)梁采用C40混凝土。圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面和剖面布置如圖1、2所示。

3基坑監(jiān)測(cè)

3.1監(jiān)測(cè)目的

（1）通過(guò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)值作比較，判斷上一步施工工藝和施工參數(shù)是否符合或達(dá)到預(yù)期要求，同時(shí)對(duì)下一步施工工藝和施工進(jìn)度進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)信息化施工。

（2）通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)工程樁施工過(guò)程中的環(huán)境變形發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)反饋信息，以達(dá)到有效控制施工對(duì)周邊環(huán)境影響的目的。

（3）將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)單位，使設(shè)計(jì)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況發(fā)展，進(jìn)一步優(yōu)化方案，達(dá)到優(yōu)質(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)合理、快捷施工的目的。

（4）通過(guò)跟蹤監(jiān)測(cè)，使支撐拆除階段施工科學(xué)有序，保障基坑始終處于安全運(yùn)行的狀態(tài)。

3.2監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和規(guī)范要求，基坑主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)布置如表2所示。

3.3監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.3.1支撐軸力和環(huán)梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，監(jiān)測(cè)4道支撐的軸力，同時(shí)在環(huán)梁受力最大處監(jiān)測(cè)環(huán)梁應(yīng)力值。支撐軸力和環(huán)梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

4道支撐和環(huán)梁一起組成支撐體系，從圖3可以看出，支撐軸力和環(huán)梁應(yīng)力的變化主要經(jīng)歷4個(gè)階段。

（1）第一階段是第1道混凝土支撐和環(huán)梁的施作到開(kāi)挖到第2道支撐底部。這個(gè)階段第1道混凝土支撐軸力和環(huán)梁應(yīng)力隨著基坑開(kāi)挖深度的增加呈線性增長(zhǎng)，該階段為第1道混凝土支撐軸力和環(huán)梁應(yīng)力增長(zhǎng)的主要階段。

（2）監(jiān)測(cè)到35 d時(shí)，第2道支撐和環(huán)梁施作完成，一直到第3道支撐施作前，為第2階段。這一階段第2道支撐軸力和環(huán)梁的應(yīng)力急劇增大，第2道環(huán)梁承受了主要的壓力。該階段為第2道環(huán)梁應(yīng)力增長(zhǎng)主要階段，第1道環(huán)梁應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢。由于第2道支撐的施作，第1道支撐的軸力明顯減小，隨后增長(zhǎng)緩慢。

（3）監(jiān)測(cè)到56 d時(shí)，第3道支撐和環(huán)梁施作完成，一直到第4道鋼支撐施作前，為第3階段。這一階段第3道環(huán)梁的應(yīng)力急劇增大，第3道環(huán)梁承受了主要的壓力，應(yīng)力值明顯大于前2道環(huán)梁，該階段為第3道環(huán)梁應(yīng)力增長(zhǎng)主要階段，前2道環(huán)梁應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢。第3道支撐和環(huán)梁一樣，軸力也呈線性急劇增大，前2道支撐軸力突然減小后增長(zhǎng)緩慢，第3道支撐承受了主要土壓力。

（4）到85 d時(shí)，第4道鋼支撐加設(shè)完畢，一直到開(kāi)挖到基底，為第4階段。第4道鋼支撐的架設(shè)，使前3道支撐軸力稍微減小，但隨著基坑開(kāi)挖，軸力又逐漸增大。這一階段雖有第4道鋼支撐的作用，但鋼支撐分擔(dān)壓力畢竟較小，因此第3道環(huán)梁應(yīng)力明顯增大，并且大于前2道環(huán)梁應(yīng)力。

3.3.2地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

地下連續(xù)墻的變形能很好地反應(yīng)基坑的穩(wěn)定性，且該基坑中間位置水平位移為最大值，因此選取基坑中間位置測(cè)斜管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，第1步土體開(kāi)挖至3.5 m深，沒(méi)有架設(shè)支撐，地連墻水平位移呈前傾狀，位移最大值位于墻頂。第2步開(kāi)挖至10 m深，并且施作了第1道環(huán)梁和支撐，地連墻變形曲線呈弓形，最大水平位移位于基坑開(kāi)挖面附近。第3步開(kāi)挖到16 m，地連墻變形曲線和第2步開(kāi)挖相似，只是最大位移隨著基坑的開(kāi)挖不斷下移。第4步基坑開(kāi)挖完畢，最大水平位移出現(xiàn)在基底附近。在施作支撐時(shí)，地下連續(xù)墻的位移有明顯減小趨勢(shì)，施作支撐后，地下連續(xù)墻位移增長(zhǎng)速率也變小。

4數(shù)值模擬及分析

4.1三維模型建立

根據(jù)基坑實(shí)際工程情況，對(duì)基坑整體建立三維模型，模型尺寸選取基坑開(kāi)挖深度的2～5倍。模型長(zhǎng)度方向邊界到基坑邊距離取約3倍基坑開(kāi)挖深度，模型寬度方向邊界到基坑邊距離取約3倍基坑開(kāi)挖深度，模型底部邊界到基坑底部距離取約2倍基坑開(kāi)挖深度，模型總尺寸為180 m×145 m×74 m，如圖5所示。

4.2計(jì)算參數(shù)和邊界條件

本工程深基坑支護(hù)措施主要有地下連續(xù)墻、環(huán)梁、混凝土內(nèi)撐和鋼支撐，支護(hù)參數(shù)的合理選取是影響模擬計(jì)算結(jié)果合理性的重要因素之一，本模型支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)如表3所示。

本工程采用理想彈塑性模型進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)DP屈服準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)自重按材料重度參數(shù)和模型尺寸由軟件計(jì)算確定。結(jié)合基坑實(shí)際施工情況，基坑頂部為地面，按自由面算，不進(jìn)行約束。模型前后限制X方向位移，左右側(cè)限制Y方向位移，底部限制Z方向位移。

4.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.3.1環(huán)梁應(yīng)力分析

模擬得到不同開(kāi)挖步驟環(huán)梁所受應(yīng)力云圖，如圖6、7所示。環(huán)梁最大拉應(yīng)力如表4所示，最大壓應(yīng)力如表5所示。

表4表明，第5步開(kāi)挖時(shí)，3道環(huán)梁拉應(yīng)力達(dá)到最大值，并且第3道環(huán)梁拉應(yīng)力最大，為3.17 MPa，

位于環(huán)梁中間位置處，這與基坑中間位置監(jiān)測(cè)值最大相符合。第3和第4步開(kāi)挖環(huán)梁最大拉應(yīng)力從上到下依次減小，第5步開(kāi)挖環(huán)梁最大拉應(yīng)力從上到下依次增大。主要原因是，隨著基坑開(kāi)挖深度增大，基坑內(nèi)外壓力差增大，基坑底部向坑內(nèi)水平位移變大，下部支撐承受最大壓力。3道環(huán)梁拉應(yīng)力變化趨勢(shì)和監(jiān)測(cè)結(jié)果相一致。

表5表明，3道環(huán)梁壓應(yīng)力變化趨勢(shì)和監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，可以達(dá)到預(yù)測(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力要求。第5步開(kāi)挖時(shí)3道環(huán)梁壓應(yīng)力達(dá)到最大值，并且第3道環(huán)梁壓應(yīng)力最大，為4.43 MPa，位于環(huán)梁兩端位置處。隨著開(kāi)挖步驟的進(jìn)行，環(huán)梁最大壓應(yīng)力從上到下依次增大。主要原因是，隨著基坑開(kāi)挖深度增大，基坑內(nèi)外壓力差增大，基坑底部向坑內(nèi)水平位移變大，兩端出現(xiàn)向基坑外側(cè)的位移，兩端環(huán)梁壓應(yīng)力也逐漸變大。

4.3.2地下連續(xù)墻水平位移分析

模擬得到不同開(kāi)挖步地下連續(xù)墻水平位移云圖，如圖8所示。

圖9為基坑中間地下連續(xù)墻水平位移計(jì)算結(jié)果曲線，計(jì)算曲線和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相似。第1步開(kāi)挖時(shí)地下連續(xù)墻最大水平位移位于墻頂，曲線呈前傾狀，最大值為2.04 mm，正值表示向基坑開(kāi)挖方向偏移。之所以墻頂位移最大，是因?yàn)榈?步開(kāi)挖時(shí)還未架設(shè)支撐，地下連續(xù)墻呈懸臂狀態(tài)，因此最大位移出現(xiàn)在墻頂。隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，基坑開(kāi)挖深度不斷增大，地下連續(xù)墻最大位移位置逐漸下移，變形曲線呈弓形，最大水平位移位于基坑開(kāi)挖面附近。第5步開(kāi)挖后，地下連續(xù)墻水平位移達(dá)到最大值679 mm，在規(guī)范容許范圍內(nèi)。

5結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析證明，在基坑施工過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力大小和基坑變形量均滿足設(shè)計(jì)要求，該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是安全合理的。

（2）運(yùn)用有限差分軟件對(duì)基坑施工過(guò)程和圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，將計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征和基坑變形規(guī)律大致相似。數(shù)值模型和參數(shù)選取合理，可指導(dǎo)類似基坑工程模擬計(jì)算；但由于實(shí)際施工環(huán)境的復(fù)雜性和巖土參數(shù)的不確定性，數(shù)值模擬很難完全真實(shí)地反映實(shí)際施工情況，使得模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果仍存在一定差異。

（3）根據(jù)本工程實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)于支撐間距較大的基坑，特別是像本工程這樣，2道混凝土支撐間距36 m的基坑，豎向3道環(huán)梁加支撐組成的圍護(hù)體系即可以滿足設(shè)計(jì)要求；不僅受力合理，施工方便，并且大大減小了對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響，是一種很好的基坑圍護(hù)方式。

（4）第1步開(kāi)挖時(shí)，基坑最大水平位移位于墻頂，施作支撐后，基坑和地下連續(xù)墻最大水平位移都位于基坑開(kāi)挖面附近，水平位移變化曲線呈弓形。隨著基坑開(kāi)挖深度增加，水平位移逐漸變大。每一開(kāi)挖步驟的水平位移變化曲線呈相似關(guān)系。

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