某城市地鐵車站深基坑開挖的變形監(jiān)測及施工仿真

關(guān)秋楓，王德詠

（1.中交珠海城際軌道交通投資建設(shè)有限公司，廣州珠海519000；2.中交四航工程研究院有限公司，中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東廣州510230）

某城市地鐵車站深基坑開挖的變形監(jiān)測及施工仿真

關(guān)秋楓1，王德詠2

（1.中交珠海城際軌道交通投資建設(shè)有限公司，廣州珠海519000；2.中交四航工程研究院有限公司，中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東廣州510230）

以某城市地鐵車站基坑為研究背景，對基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測方案進行設(shè)計，并對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，重點分析基坑施工過程中地連墻的深層水平位移隨基坑開挖深度的變化規(guī)律。對地鐵車站深基坑開挖過程進行數(shù)值施工仿真，并與監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，圍護結(jié)構(gòu)位移變化趨勢基本吻合，表明建立的有限元模型合理可信。再利用建立的三維有限元模型，預(yù)測基坑施工過程中維護結(jié)構(gòu)的最大變形，以此指導后續(xù)施工，保證基坑開挖工程的安全。結(jié)果表明：連續(xù)墻+內(nèi)支撐的圍護形式能夠有效地控制深基坑側(cè)向變形，達到了確保深基坑和臨近建筑物等安全的要求。研究結(jié)果對于地鐵深基坑的變形監(jiān)測與仿真分析提供了有意義的參考。

深基坑；開挖；變形監(jiān)測；數(shù)值模擬

近些年，隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和交通的需要，地鐵正以其運量大、速度快、污染小的特點得到青睞，地鐵的建設(shè)將是我國21世紀城市地下空間開發(fā)的重點。地鐵的興建，產(chǎn)生了大量的地鐵車站基坑工程，其規(guī)模和深度不斷加大，而且大規(guī)模修建的城市地鐵一般分布在地質(zhì)條件相對較差的沿海沿江經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，地鐵線路又處于人流量較大的城市核心區(qū)域，周邊既有的高層建筑、城市地下管道、文物古建筑、地下建筑、交通干線等復(fù)雜環(huán)境因素，這給當?shù)氐幕庸こ探ㄔO(shè)帶來了許多新的工程技術(shù)問題[1-3]。地鐵深基坑工程因其地質(zhì)因素和環(huán)境因素的特殊性具有開挖深度大、地下水豐富、施工周期長等特點[4-6]，不同土質(zhì)、地區(qū)特點要求施工方式千差萬別，這就影響了深基坑工程經(jīng)驗的通用性，在工程設(shè)計應(yīng)用研究中要因地制宜地探究該地區(qū)基坑工程開挖變形的特點。

隨著數(shù)值計算方法和基坑工程監(jiān)測技術(shù)的迅速發(fā)展，基坑工程的控制原則由強度破壞極限狀態(tài)向變形極限狀態(tài)控制發(fā)展[7]。因此，本文以某城際鐵路地鐵車站基坑工程為研究對象，在基坑施工過程中，對基坑支護結(jié)構(gòu)、基坑周圍的土體和相鄰的構(gòu)筑物進行全面、系統(tǒng)的監(jiān)測，并采用數(shù)值技術(shù)對鐵路車站深基坑施工過程進行仿真模擬研究，進而獲得圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，提前預(yù)測開挖過程中基坑支護結(jié)構(gòu)的最大變形及危險位置，進而指導基坑工程的設(shè)計和施工開挖過程。

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

1.1 工程地質(zhì)概況

新建某城際鐵路場區(qū)位于海積平原區(qū)，根據(jù)工程勘察結(jié)果，場地內(nèi)埋藏的地層主要有回填土層、第四系海陸交互相沉積層、殘積層，下伏基巖為燕山期花崗巖。工程場地自上而下的地層為：1）素填土、2）粉砂、3）淤泥、4）粉砂、5）淤泥質(zhì)黏土、6）中粗砂、7）粉質(zhì)黏土、8）中砂、9）粉質(zhì)黏土、10）全風化花崗巖、11）強風化花崗巖（散體狀）、12）強風化花崗巖（碎塊狀）、13）中風化花崗巖。

1.2 水文地質(zhì)條件

車站場區(qū)距離海邊30～300 m，地表水極其豐富，擬建車站范圍內(nèi)，根據(jù)地下水的分布特征，可分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水。第四系松散巖類孔隙水主要賦存于場區(qū)淺部人工填土及其下部砂性土地層中，水量豐富，富水性好，砂土層透水性強。砂土層中地下水大部具有承壓性?；鶐r裂隙水位于下覆燕山期侵入巖-花崗巖基巖裂隙水主要靠上層的孔隙水沿基巖裂隙下滲補給，水量貧乏，勘察結(jié)果未揭示。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，車站基坑底部存在砂層強透水層，并且臨近海邊地下水豐富，地下水對基坑施工有很大的影響。

2 支護設(shè)計及監(jiān)測方案

2.1 基坑圍護設(shè)計

車站為地下三層三跨明挖車站，采用島式站臺。明挖基坑圍護結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的支護形式，車站主體結(jié)構(gòu)基坑標準段開挖深度26.5 m，端頭基坑開挖深度30.0 m，連續(xù)墻深度44～56 m。共設(shè)6～7道圍囹支撐（端頭井7道，標準段6道，另設(shè)1道換撐）。鋼筋混凝土支撐、應(yīng)力鋼支撐平面布置圖如圖1所示，混凝土支撐截面尺寸分別為800 mm×800 mm，800 mm ×1 000 mm；鋼支撐D=800 mm，t=16 mm。

圖1 基坑圍護結(jié)構(gòu)圖Fig.1Typical map of foundation pit enclosure structure

2.2 監(jiān)測項目及方案

根據(jù)本工程的具體情況，依據(jù)有關(guān)規(guī)范的規(guī)定和圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求，本基坑工程的監(jiān)測內(nèi)容和項目見圖2所示。

圖2 監(jiān)測點平面布置圖Fig.2Layout chart of monitoring points

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

在基坑開挖的施工過程中，隨著坑內(nèi)土體的挖除，地連墻外側(cè)承受土的壓力使得地連墻在水平方向產(chǎn)生位移。典型的開挖工況見表1所示。

表1 典型開挖工況Table1Typical excavation condition case

在監(jiān)測方案中，對地連墻水平位移共計布置了36個測點，由于篇幅緣故，現(xiàn)選取2個典型斷面測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，2個測點分別為，小里程端基坑橫向中部-CX1、標準段1/2里程處-CX9。

表2中統(tǒng)計了2個監(jiān)測點在基坑開挖不同時期內(nèi)的最大位移，從表2可以看出，隨著開挖深度的增大，不同監(jiān)測點的地連墻的水平位移都在逐漸增大。CX1處于端頭井短邊中部處，由于其處在基坑寬度方向，開挖地連墻的影響較小，此處的最大位移最小?；娱L邊中部的CX9處的最大位移最大，體現(xiàn)了基坑開挖的空間效應(yīng)。由相鄰階段最大位移的變化可知，由于在開挖2、開挖3階段，位移的增加量急劇增大，在開挖4階段有少量增加。這主要是由于在開挖3結(jié)束后，在后期開挖階段，開挖深度已經(jīng)過半，同時前3層為鋼筋混凝土支撐，具有較強的抗壓性能和穩(wěn)定性，能夠很好地作為內(nèi)力支撐系統(tǒng)，延緩地連墻的變形。

表2 監(jiān)測點地連墻最大位移Table 2Maximal monitoring displacement of retaining wall

3 有限元模型及驗證

3.1 數(shù)值計算模型

鐵路車站長為254 m，寬為30.4～38 m，在三維有限元計算中，在不影響計算結(jié)果的情況下適當減小模型寬度能夠大量減少網(wǎng)格數(shù)量，減少邊界處畸形網(wǎng)格的數(shù)量，對于加快計算速度提升收斂性有明顯效果。經(jīng)過試算，本次模型尺寸為650 m×316 m×416 m。在有限元模型中，假定上表面為自由邊界，在下表面采用垂直于表面的位移或固端約束，模型側(cè)面僅約束其水平向位移。

為保證計算結(jié)果的精度同時為控制三維模型整體的網(wǎng)格數(shù)量，在劃分網(wǎng)格時，在基坑內(nèi)部和基坑周邊的網(wǎng)格劃分較細，網(wǎng)格尺寸控制在1～4 m之間，在基坑邊界處網(wǎng)格尺寸控制在20 m，中間網(wǎng)格大小由程序自動漸變劃分。網(wǎng)格劃分示意圖見圖3所示。

圖3 地基計算模型及網(wǎng)格劃分Fig.3Calculation model of foundation area and mesh scheme

3.2 計算參數(shù)的選取

土體單元采用修正莫爾-庫倫Modified Mohr-Coulomb模型，根據(jù)現(xiàn)場巖土工程勘察和室內(nèi)試驗，基坑土體的力學參數(shù)見表3。

地連墻采用C40鋼筋混凝土材料，根據(jù)混凝土材料及其配筋率換算地連墻的彈性模量E為34.7 GPa，墻截面等效厚度為1.2 m，泊松比取0.20，重度為25 kN/m3。鋼支撐采用線彈性桿單元模擬，彈性模量取200 GPa，泊松比取0.25。在基坑開挖前已經(jīng)進行了基坑降水處理，因此不考慮地下水對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的影響。

圖4 開挖階段典型監(jiān)測點水平監(jiān)測位移與數(shù)值結(jié)果對比Fig.4Comparison of monitoring displacement with numerical results at excavation phase

表3 各主要土層的物理力學指標統(tǒng)計表Table 3Physico-mechanical parameters of soils

3.3 計算與監(jiān)測結(jié)果對比

以深層水平位移為主要指標，驗證選取典型位置的監(jiān)測點CX1和CX9兩個點，CX9處于地連墻標準段1/2里程處，CX1處于端頭井地連墻橫向1/2里程處。驗證工況為已開挖的工況1～工況4四個階段。

圖4是監(jiān)測點CX1、CX9數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)在開挖各階段的地連墻水平位移對比圖。

從圖4可知，在開挖1階段，監(jiān)測點CX1、CX9的數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)都反映出此時是出于“懸臂式”位移的階段；開挖2階段都處于“拋物線”變形階段，CX9處的實際開挖變形小于模擬數(shù)值，CX1處的實際開挖變形與數(shù)值模擬值較一致；開挖3、開挖4階段仍然處于“拋物線”變形階段，兩處監(jiān)測點的實際開挖變形小于或接近模擬數(shù)值。數(shù)值模擬結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果所反映的趨勢是相同的，說明本次建立的模型是科學合理的。

當然，對比前4個階段的監(jiān)測變形值，模擬結(jié)果仍有一定的誤差，這是由于在施工過程中，基坑變形受到施工機械、施工方式、施工時間、氣象、水文等綜合因素的影響，在實際模擬中對這些因素做了適當簡化，無法完全反映現(xiàn)實開挖的所有因素。

圖5 典型監(jiān)測點開挖階段水平位移預(yù)測Fig.5Prediction of typical horizontal displacement at monitoring excavation stage

4 基坑開挖變形預(yù)測

利用已經(jīng)驗證的基坑開挖三維數(shù)值模型，繼續(xù)模擬基坑在后續(xù)開挖5、開挖6、開挖7的變形情況。主要對地連墻的水平位移進行分析。

圖5是監(jiān)測點CX1、CX9對應(yīng)位置的數(shù)值模擬測斜曲線，由圖可知兩者的變化規(guī)律基本一致。

分析兩監(jiān)測點可知，在開挖1階段，地連墻呈現(xiàn)“懸臂式”位移，地連墻的嵌固深度較大，此時位移完全由地連墻自身剛度決定，最大位移點均位于地連墻頂部，監(jiān)測點CX9最大位移為6.14 mm，監(jiān)測點CX1最大位移為1.21 mm。

在開挖2、開挖3階段，由于開挖深度較大均產(chǎn)生較大的位移變化，并產(chǎn)生了“拋物線”式的位移形態(tài)，兩次開挖所增加的幅度都較大。地連墻的水平最大位移點也隨著開挖深度的增大而向下移動，開挖3水平最大位移點處于開挖13 m附近，開挖3水平最大位移點處于18 m附近，都處于開挖面附近。監(jiān)測點CX9處的頂端位移有一定程度的減小，而監(jiān)測點CX1處的頂端位移進一步加大，這是由于監(jiān)測點CX9處于橫向支撐的頂端位置，開挖2、開挖3開挖后產(chǎn)生的土壓力差使得地連墻繞支撐點向基坑外側(cè)轉(zhuǎn)動出現(xiàn)了地連墻頂部位移逐漸減小的趨勢，而監(jiān)測CX1點一來由于處在無支撐直接作用的地方，二來端頭井開挖處主要是斜撐作用，上述效應(yīng)不明顯因而表現(xiàn)為頂部位移繼續(xù)增大的趨勢。

在開挖4階段地連墻的水平位移進一步加大，但是其最大位移的幅度相對之前有明顯的減小，CX9只增加了2 mm，相對增幅為9%，CX1只增加了0.9 mm，相對增幅為1.4%，此時共計開挖17.2 m。

開挖5、開挖6、開挖7階段，監(jiān)測點CX9處，地連墻的最大水平位移基本保持不變，監(jiān)測點CX1處地連墻的最大水平位移也基本保持不變，即在開挖4結(jié)束后，地連墻的整體水平位移也基本保持不變，地連墻的最大水平位移基本保持不變，最大位移都出現(xiàn)在（H為地連墻高度）附近。第4、5、6道預(yù)應(yīng)力鋼支撐的施加有效地減小了開挖帶來的大變形，地連墻標準段中部位移最大為23 mm，為開挖深度的0.1%。

由上述分析，鋼筋混凝土支撐階段的開挖1、開挖2、開挖3，都產(chǎn)生了較大變形，預(yù)應(yīng)力鋼支撐階段開挖4、開挖5、開挖6、開挖7的變形增大幅度都相對很小，由此可見預(yù)應(yīng)力鋼支撐能很好地控制地連墻水平位移。

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，實測值基本都小于計算值。同時，對比分析監(jiān)測點CX9較監(jiān)測點CX1在各開挖階段的最大位移相差比率分別為5.08倍、4.06倍、3.45倍、3.27倍、3.27倍、3.26倍、3.23倍。由此可見基坑開挖過程中，不同空間處的地連墻水平位移相差較大，地連墻的水平位移具有很強的空間效應(yīng)。數(shù)值模擬和監(jiān)測數(shù)據(jù)都表明監(jiān)測點CX9處的水平位移是整個地連墻水平位移最大處，根據(jù)數(shù)值模擬的規(guī)律可知，開挖4以后，基坑的最大變形值將保持穩(wěn)定，數(shù)值模擬的地連墻最大水平位移為23.80 mm，故預(yù)測，本次基坑開挖地連墻的最大水平位移值在30 mm以內(nèi)，位置處于基坑開挖深度的倍處，處在基坑報警值36 mm范圍內(nèi)。以此指導后續(xù)施工，保證基坑開挖工程的安全，這對提高工程安全性具有重要的意義。

5 結(jié)語

本文結(jié)合某城際鐵路車站深基坑開挖工程建立了三維有限元模型，利用監(jiān)測結(jié)果對數(shù)值模型進行驗證；然后利用數(shù)值模擬預(yù)測了后續(xù)工況下基坑的變形規(guī)律和最大位移，得出以下幾個結(jié)論：

1）基坑開挖工程中，地連墻的深層水平位移逐漸從未支撐時的“懸臂式”形態(tài)向“拋物線”形態(tài)變化。隨著基坑開挖和支護施工，由于混凝土支撐良好的抗壓性能，預(yù)應(yīng)力鋼支撐能抵消部分土、水壓力，有效地延緩了支護地連墻水平方向的變形。

2）基坑地連墻變形存在明顯的空間效應(yīng)，不同空間處的最終位移存在一定比率關(guān)系?；拥谝徊介_挖對基坑和支護結(jié)構(gòu)的變形影響很大，建議施工時先開挖塔吊樁基所在的橫向基坑區(qū)域，及時支護，減少第一步開挖產(chǎn)生的變形，進而減少整體變形。

3）采用有限元數(shù)值分析方法對基坑開挖的施工過程進行了模擬研究，將計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果進行了對比，地連墻變形及基坑周圍地表變形的基本趨勢大體一致，體現(xiàn)了有限元計算模型的建立和參數(shù)選取的合理性。

4）通過數(shù)值仿真預(yù)測出基坑開挖地連墻的最大水平位移值為30 mm，在基坑報警值（36 mm）范圍內(nèi)，危險位置處于地連墻高度的倍處，

表明基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全合理的，同時指導了基坑開挖施工過程。

[1]趙錫宏.大型超基坑工程實踐與理論[M].北京：人民交通出版社，2004.

ZHAO Xi-hong.Practice and theory of super deep foundation pit engineering[M].Beijing：China Communications Press,2004.

[2]柳建國，程良奎.北京地區(qū)基坑支護技術(shù)的發(fā)展與工程實踐[J].巖土力學，2009，30（4）：1 013-1 017.

LIU Jian-guo,CHENG Liang-kui.Pit support technology development and engineering practice in Beijing[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(4):1 013-1 017.

[3]楊光華.深基坑支護結(jié)構(gòu)的實用計算方法及其應(yīng)用[J].巖土力學，2004，25（12）：1 885-1 896.

YANG Guang-hua.Practical calculation method of retaining structures for deep excavations and its application[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(12):1 885-1 896.

[4]黃傳勝.地鐵深基坑開挖變形預(yù)測方法及工程應(yīng)用研究[D].長沙：中南大學，2011.

HUANG Chuan-sheng.Research on excavation deformation forecasting methods of metro foundation pit and its application[D]. Changsha:Central South University,2011.

[5]莊海洋，吳祥祖，瞿英軍.深軟場地地鐵車站深基坑開挖變形實測分析[J].鐵道工程學報，2011，28（5）：86-91.

ZHUANG Hai-yang,WU Xiang-zu,QU Ying-jun.Analysis of the construction deformation of the foundation pit excavated for metro station built in soft site[J].Journal of Railway Engineering Society, 2011,28(5):86-91.

[6]劉興旺，周葛源.北京朝陽廣場深基坑支護技術(shù)[J].探礦工程：巖土鉆掘工程，2006（10）：8-13.

LIU Xing-wang,ZHOU Ge-yuan.Bracing of deep foundation pit applied in Chaoyang square construction project[J].Exploration Engineering:RockandSoilDrillingandTunneling,2006(10):8-13.

[7]劉杰，姚海林，任建喜.地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與數(shù)值模擬[J].巖土力學，2010，31（S2）：456-461.

LIU Jie,YAO Hai-lin,REN Jian-xi.Monitoring and numerical simulation of deformation of retaining structure in metro station foundation pit[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(S2):456-461.

Deformation monitoring and construction simulation of deep foundation pit excavation in an urban metro station construction

GUAN Qiu-feng1,WANG De-yong2
（1.CCCC Zhuhai Intercity Railway Investment&Construction Co.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong 519000,China;2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Environmental Protection&Safety of Communication Foundation Engineering，CCCC，Guangzhou,Guangdong 510230,China）

Based on the deep foundation pit excavation in an urban metro station construction,we designed the deformation monitoring program of foundation pit retaining structure,and analyzed in-situ monitoring data of the retaining structure deformation in the foundation pit,and mainly analyzed the laws of the horizontal deformation of the retaining structure changing with the excavation depth in the construction.We carried out the numerical simulation of excavation process of deep foundation pit in metro station,and compared with monitoring results,the trend of displacement change of retaining structure is basically consistent.It shows that the established finite element model is reasonable and credible.Then,3D finite element model is built to predict the maximum deformation of the retaining structure during the construction of the foundation pit,so as to guide the follow-up construction and ensure the safety of the excavation project.The results show that:the retaining form with steel support and supporting pile has good limit to the lateral deformation of the deep foundation pit,and meet the requirements of safety for deep foundation pit and adjacent buildings.The simulated results provide valuable reference for deformation monitoring and simulation analysis of deep foundation pit of metro.

deep foundation pit;excavation;deformation monitoring;numerical simulation

TU753

A

2095-7874（2017）06-0061-06

10.7640/zggwjs201706014

2016-11-01

2016-12-25

關(guān)秋楓（1973—），男，黑龍江綏化人，高級工程師，港口及航道工程專業(yè)。E-mail：gqiufeng@cccc4.com