地鐵車站深基坑變形監測及FLAC3D模擬研究

肖 海（湖南省第二測繪院，湖南長沙410119）

地鐵車站深基坑變形監測及FLAC3D模擬研究

肖 海（湖南省第二測繪院，湖南長沙410119）

地鐵車站深基坑工程是地鐵修建過程中的關鍵工程，由于深基坑工程系統復雜，為避免工程事故的發生，基坑監測工作顯得尤為重要。本文從深基坑的變形機理出發，介紹了深基坑工程的特點、開挖變形機理，以及影響基坑變形的因素，并以長沙市地鐵車站深基坑變形監測為例，進行了深基坑變形監測及基于FLAC3D的模擬研究，以期為相關工程建設提供參考依據。

地鐵車站；深基坑；變形監測；模擬

1 引言

隨著社會經濟的高速發展，城市地鐵建造正蓬勃發展。地鐵深基坑深埋于地下，其環境因素復雜，基坑工程本身的安全與穩定存在威脅；且因土方開挖可能引起周圍地層移動而危及相鄰建筑物、地下管線及市政設施。為避免基坑系統設計施工中的事故發生，對深基坑的監測工作顯得尤為重要。

2 深基坑工程特點

2.1 施工風險大

在施工過程中，基坑工程通常為臨時性措施，因而在基坑工程設計計算時，其圍護體系中不必考慮地震等荷載。基坑工程具有低強度、小變形、低防滲、耐久性不長等特點，對安全儲備的要求較低；對利潤追求的最大化又可能導致投資不足，設計不合理，實際的安全儲備可能更小[1]。

2.2 制約因素多

工程當地的自然條件會對基坑工程產生巨大影響。在基坑工程的設計與施工過程中，必須全面掌握工程所處的自然地理、氣候氣象、水文、工程地質，弄清周圍自然環境與基坑開挖之間的關系及相互作用[1]。此外，基坑工程圍護結構體系還受到相鄰的建筑物、地下構筑物、地下管線等因素制約，這些因素甚至會成為基坑工程成敗與否的關鍵。

2.3 計算理論不完善

作為地下工程的基坑工程，作用在基坑圍護結構上的土壓力，既與樁體的水平位移大小、方向有關，也與受力持續時間有關。目前，對基坑圍護結構上的土壓力進行設計與計算時，往往采用經驗取值，或應用朗肯土壓力理論、庫侖土壓力理論，再根據工程實際進行經驗修正。目前有關土壓力的理論還亟待完善，尤其是在地下水水位高時的工況條件下，各地制定的技術規程或規范還沒有統一[2]。

2.4 環境效應復雜

基坑工程的開挖與建設，勢必會改變基坑周圍地基中地下水的水位和應力場，引起周圍地基土體的失穩與變形，直接影響臨近建筑物、地下構筑物和地下管線等工程設施[2]。工程施工過程中產生的粉塵、噪音、泥漿、渣土等也會對周圍環境產生影響，因此必須考慮基坑工程的環境效應[3]。

2.5 知識經驗要求高

基坑工程集巖土工程與結構工程于一體，基坑工程的設計和施工緊密相連，這就要求所有從業人員須同時具備施工和設計方面的理論知識，需要設計施工人員具有豐富的現場實踐經驗。

3 基坑開挖變形機理

基坑圍護結構和基坑土體失穩變形的原因一般有兩種：

（1）基坑開挖過程中，土體自身的重力在不斷發生變化，使原有的應力平衡狀態在土中的滲流力或鄰近打樁施工擾力等外界力作用下遭到破壞[3]。

（2）土的抗剪強度受控于氣候等外界因素影響，這些外界因素會導致土的原有內在結構被改變，造成土的抗剪強度降低。各種人類活動的干擾，也促使土體原有的力學平衡被打破，從而引起基坑圍護墻體的水平或豎向變形、基坑底部隆沉、以及基坑周圍地表、建筑物及附屬設施的沉降等變形現象[4]。

4 影響基坑變形的因素

按照屬性的不同，影響基坑變形的因素可分為三大類[5]：

第一類——固有因素。即現場的水文地質條件及周邊的環境條件，如土體的強度、地下水位、坑邊構筑物、高層建筑和超載等。

第二類——與設計相關的因素。即圍護結構的特征、開挖尺寸、支撐預應力、地基加固設計，如墻體剛度、支撐剛度、插入深度、基坑尺寸、支撐預應力大小以及地基加固方法等。

第三類——與施工相關的因素。即施工方法、施工周期及施工人員水平等。

5 工程應用及分析

5.1 工程概況

本研究選取長沙市地鐵1號線南門口站作為監測對象。南門口站址位于城南路與黃興南路交叉口，所在地段是長沙市最為繁華的商業區域。南門口站為地下二層島式站臺車站，總長168.72m，標準段外包寬20.2m，車站四個象限共設有4個出入口、2組共8個風亭。主體結構頂板覆土厚度為3.10～4.26m，車站中心里程處頂板覆土厚度約3.2m，底板埋深約17.3m，車站采用明挖法、局部采用蓋挖法施工。車站主體結構采用鋼筋混凝土箱型結構，圍護結構采用800mm厚地下連續墻，車站主體設全外包防水層。

5.2 監測內容

結合現場實際情況，監控量測由兩部分組成，即：基坑內部監測和周圍環境監測（見表1）。其主要目的是掌握車站基坑在施工過程中基坑及周圍環境的變形。

表1 施工監測項目及精度要求

5.3 FLAC3D深基坑開挖模擬5.3.1基本假設

結合基坑實際施工情況，作以下假設：

（1）模擬區域土體為各向同性且均勻的彈塑性體；

（2）開挖前不考慮土體的應力和性狀，此時土體在自重狀態下呈固結狀態；

（3）模擬過程中不考慮降水及滲流，不考慮地表附加荷載影響。

5.3.2 網格劃分及邊界條件

研究選取南門口站擴大端和標準段的一段基坑作為仿真對象，模擬范圍為90m×60m×44m的區域，共劃分網格單元54530個，共計59640個網格節點。模型前后邊界施加x方向的水平約束，左右邊界施加y方向的水平約束，底面施加z方向的豎向約束。

5.3.3 參數選取與計算階段

根據計算區域內土體的物理力學性質，將部分性質相近的土體合并，因而模擬區域土體被劃分為四類，即雜填土、粉質粘土、卵石及泥巖（見表2）。參考巖土工程勘察報告及長沙地區規范及當地工程經驗可得：各層土體的力學計算參數如表2所示，地下連續墻以及鋼支撐等圍護結構的計算參數如表3所示。

表2 各土體物理力學計算參數

表3 圍護結構物理力學參數

5.3.4 模擬結果及分析

（1）圍護結構應力分析

本研究通過FLAC3D軟件模擬了四個施工階段，即階段1——基坑開挖2m，階段2——基坑開挖8m，階段3——基坑開挖12m，階段4——基坑開挖至設計深度。

圖1～2分別為各階段條件下連續墻最大、最小主應力分布圖。從圖1可見：基坑開挖與支撐交替進行，圍護結構自身所受到的作用力在方向和大小上不斷變化，連續墻最大主應力都出現在基坑工程的底部。基坑開挖階段1，圍護結構所受到的最大壓應力為0.34MPa，開挖至最底部后最大壓應力為1.6MPa；應力集中于基坑兩側，且基坑角部附近應力集中最為顯著，說明基坑兩邊以及角部附近的空間作用最強（如圖1所示）。

圖1 各階段條件下連續墻最大主應力分布圖（單位：MPa）

從圖2可見：基坑開挖至最底部后，圍護結構所受到的最大拉應力出現在基坑圍護結構底部，其值約為0.35MPa。基坑開挖過程中，圍護結構受力狀態不斷發生變化，基坑開挖階段1，圍護結構端部基坑外側由于沒有預先施加支撐而受拉，仍處于軟弱土層的基坑底部內側則受拉，且以開挖面為界，開挖面以上基坑以內側受拉為主，開挖面以下基坑以外側受拉為主（如圖2所示）。

圖2 各階段條件下連續墻最小主應力分布圖（單位：MPa）

（2）鋼支撐軸力分析

通過仿真得到鋼支撐軸力的模擬結果，將其與對應實測資料進行比較得知：基坑擴大端與標準端兩處的鋼支撐軸力模擬結果與實測資料較接近，兩者的變化趨勢大致吻合，即鋼支撐軸力隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大 （見表4～5），其中個別差異較大。這是因為仿真模型中用梁單元與連續墻共節點之間的連接作用來突顯支撐結構，而現實工程中圓鋼管支撐與樁的相互作用是存在一定差異的，實際施工過程中支撐結構會隨著時間的延長而應力發生松弛與損耗，且實測時沒有考慮溫度的影響。無論是實測資料還是模擬結果，都能發現：基坑開挖整個過程中，擴大端和標準端兩處的鋼支撐軸力均未發生明顯突變，由此表明基坑開挖過程始終處于安全可控的狀態。

表4 鋼支撐軸力實測值與模擬值的對比（擴大端）

表5 鋼支撐軸力實測值與模擬值的對比（標準端）

（3）圍護樁樁身位移分析

圖3是仿真模擬得到的圍護結構水平位移圖。從圖3上可以看出：基坑開挖整個過程中，靠近開挖面處的圍護樁樁身水平位移最大，并向基坑外側變形，其值由最初的0.8mm，逐漸增大至10mm（如圖3所示）。

圖3 圍護結構水平位移圖

6 結論

本文從深基坑的變形機理出發，介紹深基坑工程的特點、開挖變形機理以及影響基坑變形的因素，通過研究得到：

（1）基坑邊坡的位移趨勢和支護結構的變形特性直接由圍護樁的樁體水平位移值反映，這是評價圍護結構安全狀況的重要指標，且實測值均小于設計容許值，表明工程安全。

（2）深基坑在開挖過程中，支護結構由于兩側承受不同的土壓力而產生水平位移。

（3）圍護樁變形最大的位置位于基坑開挖部分的中下部，而不在基坑頂部。由于鋼支撐的作用，對圍護樁的水平位移起到了重要的限制作用。圍護樁變形呈現出較強的空間效應，基坑中部的圍護結構水平位移最大，越靠近基坑的角點，圍護結構的水平位移越小。

[1]陳忠漢，黃書秩，程麗萍.深基坑工程（第二版）[M].機械工業出版社，1999.

[2]龔曉南，高有潮.深基坑工程設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1998.

[3]孫 凱，許振剛，劉庭金，等.深基坑的施工監測及其數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（2）：293～298.

[4]任建喜，高立新，劉 杰，等.深基坑變形規律現場監測[J].西安科技大學學報，2008，28（3）：445～449.

[5]任建喜，馮曉光，劉 慧，等.地鐵車站深基坑圍護結構變形規律監測研究[J].鐵道工程學報，2009，3：89～92.

TU433

A

2095-2066（2016）24-0039-03

2016-7-1

肖 海（1981-），男，工程師，本科，主要從事國土資源調查、工程測量、不動產測量、地理信息數據處理等方面的工作。