地鐵基坑開挖樁體與鋼支撐變形與受力的數值模擬

郭文章，儲征偉

(南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210000)

1 引 言

隨著我國眾多城市軌道交通建設的迅猛發展，各種施工工法及工藝應運而生，有明(蓋)挖法、盾構法、礦山法等，各種工法均會引起工程本身以及周邊環境的變形，從而隱藏了眾多不安全因素，為了提前發現和預測各種變形的發生，確保工程自身和周邊環境的安全，監測作為一種信息化施工手段［1～3］，在地鐵建設過程中已愈來愈多的被采用。

20 世紀40年代國外學者Terzaghi 提出預估挖方穩定程度以及支撐荷載大小的總應力法［4］。到了60年代，儀器監測開始應用于軟粘土深基坑工程中。隨著土壓力理論的發展，擋土結構的內力計算模型和計算方法不斷完善［5～7］，試驗水平和測量技術也有了很大進步。70年代有限元理論開始應用于基坑穩定和基坑變形等方面［8］。20 世紀80年代后，國內學者對深基坑工程逐漸展開深入研究，取得了很多成果，例如:劉建航和侯學淵［9］提出了時空效應法;蔣洪勝、劉國彬［10］通過對地鐵車站深基坑開挖全過程的支撐軸力進行跟蹤監測，研究了基坑開挖支護結構的支撐軸力的變化規律;吳興龍、朱碧堂［11］結合上海三角地廣場基坑工程指出在基坑設計中應充分考慮時空效應，邊挖邊支，減少土體強度的衰減，保證支護結構的穩定性;張永利、馬海龍［12］分析了深基坑工程事故發生的原因，提出深基坑工程的設計施工中需要解決的問題;楊茂忠、陳向東［13］提出了信息化施工的基本概念、方法以及應用管理程序，并介紹了信息化施工在深基坑開挖施工中的應用。

本文運用有限差分軟件FLAC3D 對南京市地鐵三號線卡子門車站基坑開挖過程中的樁體水平位移和鋼支撐軸力的變形進行了數值模擬，并與實際監測結果進行對比，其吻合性較好，論證了數值模擬應用在基坑開挖中支護結構變形分析的可行性，并得出了支護體系的變形規律。論文通過將現場監測和數值模擬相結合，可以提供更加合理的基坑監測報警值，為深基坑施工提供更加科學的信息指導。

2 工程概況

2.1 車站概況

南京地鐵三號線卡子門站為雙柱三跨兩層站，站廳層布置于地下1 層，站臺層位于地下2 層。車站總長度為170.9 m，南、北兩端為盾構端頭井，南端寬28.10 m、深19.82 m(換乘節點處深24.52 m);北端寬 47.85 m、深24.1 m，標準段寬24.1 m、深16.81 m。車站設有4 個出入口、2 組風亭。其中1、2號(2a、2b、2c 號)出入口設置在車站東側，3 號出入口設置主體結構西側，4 號出入口為預留。

車站主體采用明挖順作法施工，圍護結構采用鉆孔咬合樁及鉆孔灌注樁+內支撐圍護結構。北段加寬段三道支撐全為鋼筋混凝土支撐(800 mm×900 mm)，標準段及南端一道鋼筋混凝土支撐三道鋼支撐，換乘節點處一道鋼筋混凝土支撐五道鋼支撐。車站兩端端頭井作為盾構始發井。

2.2 車站工程水文地質概況

該站地形較平坦，地面高程在16.2 m～16.9 m之間，地貌屬坳溝。該站地層自上向下分布地層分別為:①－1 雜填土(松散～稍密)、①－2 素填土(軟～可塑，局部流塑)、②－1b2－3 粉質粘土(軟～可塑，局部流塑)、②－3b3－4 粉質粘土(軟～流塑)、③－4b2－3 粉質粘土(可～軟塑)、③－4e 含卵礫石粉質粘土(軟～可塑)、④－1b1 粉質粘土(硬塑，局部可塑)、④－2b2粉質粘土(可塑，局部軟塑)、④－3b1 粉質粘土(硬塑，局部可塑)、④－4e 含卵礫石粉質粘土(可～軟塑)、K1g－2 泥質粉砂巖、粉砂質泥巖(強風化)。

圖1 卡子門站地層剖面圖

車站底板位于④－3b1 粉質粘土和②－3b3－4 粉質粘土土層中，車站地層情況如圖1 所示。

該站地下水類型主要為松散地層中的孔隙水，其次為基巖裂隙水。松散地層中的孔隙水是本段地下水的主要類型，根據其埋藏條件和水力性質，可以劃分為淺層潛水、弱承壓水、基巖裂隙水。淺層潛水含水層包括人工填土層、全新世沖淤積成因的軟弱粘性土層，隔水底板為③、④層粉質粘土;弱承壓水含水層主要為③－4e、④－4e 含卵礫石粉質粘土，隔水頂板為粘性土，隔水底板為下伏巖層。

基坑降水措施:基坑采用坑內降水，開挖期間需保證坑內水位低于開挖面以下0.5 m。該車站各土層力學參數如表1 所示。

土層力學參數表 表1

3 基坑開挖數值模擬

3.1 本構模型

采用摩爾—庫侖(Mohr_Coulomb)強度準則。

3.2 基坑模型的建立

本文以卡子門站為模板建立模型并進行數值模擬。卡子門站標準段寬22.1 m，開挖深度16.86 m，擬采用開挖尺寸50 m×22 m×17 m(長×寬×深)。一般模擬尺寸選開挖尺寸的3 倍～5 倍最為合理，基坑開挖的影響寬度約為開挖深度的3 倍～4 倍，影響深度約為開挖深度的2 倍～4 倍，因此，采用的模型尺寸為160 m×70 m×50 m，共產生19 320 個節點，17 304個單元，5 219個結構構件，如圖2 所示。

圖2 基坑模型

鉆孔灌注樁采用樁結構單元pile 模擬，樁徑1 000 mm，樁心距1 200 mm，樁長26 m，采用C30 混凝土，樁頂冠梁采用梁結構單元beam 模擬，冠梁尺寸為1 000 mm×1 000 mm，采用C30 混凝土，如圖3 所示。

圖3 鉆孔灌注樁和冠梁模型

擋土墻采用殼結構單元shell 模擬，擋土墻厚度為80 mm，采用C25 混凝土。采用梁結構單元beam 模擬第一道混凝土支撐和第二、三、四道鋼支撐，混凝土支撐截面尺寸為800 mm×900 mm，采用C30 混凝土，鋼支撐采用內徑609 mm的Q235b 鋼，厚度為16 mm。

3.3 基坑開挖數值模擬

本次基坑開挖共分為五步，通過FLAC 命令model null 來實現。

(1)開挖第1 層，從地表到地下1.5 m，并做第一道混凝土撐;

(2)開挖第2 層，從地下1.5 m到地下6.6 m，并做第二道鋼支撐;

(3)開挖第3 層，從地下6.6 m到地下11.1 m，并做第三道鋼支撐;

(4)開挖第4 層，從地下11.1 m到地下14.6 m，并做第四道鋼支撐;

(5)開挖第5 層，從地下14.6 m到地下17 m。

3.4 模擬結果

基坑開挖過程中，位移云圖如圖4 所示。

圖4 基坑開挖位移云圖

4 數值模擬與監測結果對比分析

4.1 樁體水平位移模擬結果與監測結果對比

樁體水平位移是一項非常重要的監測項目，直接反映了圍護樁的變形和位移情況，對確保基坑安全有著至關重要的作用。本文選取監測時間連續、監測結果受影響較小的ZQT15 樁體水平位移的監測結果和模擬結果進行對比，對比結果如圖5 所示。

由圖5(a)可以看出，開挖深度較淺，監測值和模擬值都較小，變化趨勢也基本相同;圖5(b)中，開挖深度達到了6.6 m，模擬值略大于監測值，但變化趨勢一致，在架設的第一道鋼支撐處有一個較為明顯的拐點;圖5(c)中，開挖深度達到了11.1 m，監測值在深度6 m左右超過模擬值，在深度10 m左右達到最大值，二者變化趨勢一致;圖5(d)和圖5(e)中，模擬值的變化較為穩定，變化幅度也不大，至開挖完成也沒有超過報警值，但監測值隨著開挖的進行位移增量越來越大，圖5(e)中監測值已趨近40 mm，超過樁體水平位移報警值24 mm，由于是累計值報警，自報警后至底板澆筑完成之日一直處于報警狀態，給施工造成了巨大影響。

分析監測值和模擬值的差異，主要是土體開挖到一定深度后，基坑內外土面高差不斷增大，使得土體對樁體結構的壓力不斷增大，導致樁體結構的變形增大，如果土體開挖后，及時架設鋼支撐，那么這種變形會及時得到有效控制，如果鋼支撐架設滯后，那么變形還將繼續發展，這也是基坑開挖的時空效應。

圖5 ZQT15 樁體水平位移監測結果和模擬結果對比曲線圖

4.2 鋼支撐軸力模擬結果與監測結果對比

鋼支撐作為基坑極為重要的支護結構，它的變形和受力直接關系著基坑的安全，因而鋼支撐軸力的監測就顯得極為重要。本文選取監測時間連續、監測結果受影響較小的ZL06－1 軸力的監測結果與模擬結果進行對比，如圖6 所示。

由圖6 可以看出:鋼支撐軸力監測值和模擬值變化趨勢基本一致，但監測結果大于模擬結果。軸力的最大值出現在第四次開挖完成時，此時監測值和模擬值的差值也達到了最大，約800 kN，相比于樁體水平位移，軸力監測更容易受氣候影響，其中影響最大的是溫度，夏日早晨和中午的監測值會相差很大;另一方面鋼支撐架設如果滯后，樁體承受土壓力增大引起的變形，傳遞給支撐結構，也導致了鋼支撐軸力的增大。

4.3 基坑開挖對周圍環境的影響

圖6 ZL06－1 軸力監測結果和模擬結果對比曲線圖

深基坑開挖施工會引起支護結構、周圍巖土體以及周圍環境的變形。本文通過模擬基坑支護結構樁體位移及支撐軸力的變化，反映了土體開挖過程中支護體系的變形規律。土體開挖，樁體受土壓力增大而發生變形，應及時架設鋼支撐，減少樁體的進一步變形，控制了支護結構的變形，就減少了周圍巖土體的變形，繼而對周圍環境的影響則會相應減小，也進一步減少了對周圍環境的影響，確保了周圍環境的安全。

5 結 論

本文針對南京地鐵三號線卡子門車站基坑工程，采用FLAC3D 對基坑開挖過程中的圍護結構進行數值模擬，并結合設計計算結果、相關規范標準的規定值將模擬結果與實際監測結果進行對比，研究了FLAC3D數值模擬在南京地鐵監測中的應用。主要結論如下:

(1)不論是樁體水平位移監測還是軸力監測，監測值和模擬值變化趨勢基本一致，從一定意義上肯定了FLAC 數值模擬在基坑監測方面的可行性。

(2)監測值隨著開挖的進行位移增量越來越大，第四次開挖超過了報警值，實際基坑處于安全狀態。因此，可以參考基坑開挖前期的監測結果和數值模擬結果，并結合設計要求及相關規范進行綜合預判，將后期的樁體水平位移累計量報警值從24 mm 提高到30 mm，既可以保證基坑的安全，又可以減少無效報警對施工造成的影響。

(3)軸力監測受氣候影響，監測結果大于模擬結果，但從模擬結果及后期內支撐變形觀測來看，內支撐處于安全狀態。因此，參考基坑開挖前期的監測結果和模擬結果，可以將軸力報警值適當提高。

(4)通過分析對比，在深基坑施工過程中，將現場監測和數值模擬相結合，可以提供更加合理的基坑監測報警值，為深基坑施工提供更加科學的信息指導，并確保周邊環境安全。

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