深基坑開挖變形監測及數值計算分析

柴海博

(中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006)

1 引言

欒長青[3]以上海軌道交通9號線宜山路車站降水施工為依托，在現場降水試驗的基礎上，結合高壓固結試驗和Plaxis 3D Foundation軟件研究了基坑降水開挖對周邊土體工程性狀的影響。程子龍[4]以太原地鐵2號線中心街站為研究對象，通過野外抽水試驗及室內土工試驗獲取了各地層參數及滲透性，并運用FLAC3D分析了不同工況下地層的水平位移與地表的沉降。游洋[5]等將基坑分區進行降水設計來研究對周邊環境的影響，制定不同的方案并采用數值計算方法驗證了方案的可行性。吳薪柳[6]采用數值計算評估了復雜基坑開挖對既有地鐵結構安全性的影響。結果顯示，隨著基坑降水開挖的進行，坑底土體會出現回彈，在坑外地表出現沉降。邱玉[7]等在比較現場實測值和分析計算結果的基礎上，提出了坑周土體沉降是由基坑降水后土體應力重分布所導致。黃顯貴[8]等通過數值計算和現場實測數據驗證了地表沉降的理論計算方法。方浩[9]等通過研究指出了圍護墻最大側向位移發生位置和地表沉降影響范圍。唐洪亮[10]等通過模型試驗和數值模擬，探討了膨脹土地層開挖過程中基坑變形規律。吳昌將[11]等以現場實測數據研究了軟土地區基坑變形性狀及對周邊建筑的影響。楊果林[12]等借助現場監測和數值模擬，研究了滲流-應力耦合條件下泥炭土深基坑的開挖變形規律。靳國柱[13]通過現場監測總結分析了軟土地區地鐵車站深基坑開挖一般受力變形規律。孫超[14]等通過理論計算與實際監測結果的對比，探究了基坑圍護結構和周邊建筑物等的變形規律。

本文根據某地鐵車站深基坑工程開挖時的現場監測數據，并結合數值計算，對深基坑變形問題進行深入研究，總結了各監測項目的變形發展規律。

2 工程概況及地質條件

(1)工程概況

擬建車站開挖基坑長239 m，寬20.6～34.8 m，深度16.85～18.4 m，采用800 mm厚、39 m深的地下連續墻作為主體圍護結構，共設5道內支撐，基坑中部設置φ1 000立柱樁11根。基坑支護結構具體形式如圖1所示。

圖1 基坑支護結構橫剖面(單位：mm)

(2)工程地質條件

根據勘察資料，開挖范圍內主要為含水量高、滲透性好的粉土和砂性土。

各主要土層分布及物理力學特性指標見表1。

表1 土的物理力學性能指標

3 基坑監測

3.1 監測內容及測點布置

本工程所涉及的監測項目眾多，本文僅選取立柱樁沉降、圍護墻體深層水平位移和周邊地表沉降作為研究對象，其監測點布置具體情況見表2。

2）要素描述修改的有29個 ：大地原點、三角點、衛星定位等級點、地面河流、運河、倒虹吸、海島、制水壩、單幢房屋、普通房屋—建筑中房屋、架空房、廊房、管道井（油、氣）、北回歸線標志塔、清真寺、衛星地面站、柵欄、籬笆、地鐵、輕軌、引道、路標、里程碑、火車渡、汽車渡、人渡、泥石流、熔巖流、岸壟、鹽堿地。

表2 監測工作布置

3.2 監測項目控制值

監控項目控制指標一般由累計變化值和變化速率兩個量控制。根據圍護設計說明，本工程監測控制值見表3。

表3 監測項目控制值

3.3 監測數據分析

(1)立柱樁沉降

隨著基坑開挖卸荷，坑下土體會產生一定回彈量，土體變形較難監測，故通過監測基坑內立柱樁的隆沉情況來實現。由圖2可知，隨著基坑開挖，立柱樁沉降會逐漸增大，且在第四道支撐施工前其增速較快，保持較陡的直線型，累計變形量達到設計控制值的50% ～60%；此后，變化幅度趨緩，在底板澆筑時立柱樁沉降值基本達到峰值，為17～19 mm，均未超過其設計控制值25 mm的80%，說明底板澆筑很好地抑制了基底隆起的發展趨勢。另外，通過圖2中3根立柱樁Lz9、Lz10、Lz11沉降量可以看出，基坑內各立柱樁的沉降量差異不大，說明基坑開挖過程各段均為對稱均勻卸載，滿足設計及施工要求。

圖2 立柱樁沉降-開挖時間關系曲線

(2)墻體深層水平位移

由圖3可知，坑內卸載會導致地連墻在基坑外側土壓力作用下發生朝向臨空面的水平位移。由于坑內第一道內支撐為剛度大、變形小的鋼筋混凝土支撐，其強度的安全、可靠性強，能有效限制墻體上部的變形；而墻體下部的入土深度較大，坑下土體產生的側向土壓力可以減弱墻后主動土壓力作用，故墻體的深層水平位移會沿其深度方向呈先增大后減小的“弓”型曲線，且其最大值總是出現在開挖面附近。另外，隨著基坑開挖，墻體各部位的水平位移會逐漸增大，直至底板施工后達到穩定，最大值接近50 mm，超過其控制值。位移增長最快的階段為第三層土開挖期間，水平位移最大值增長了約20 mm。主要原因為在基坑開挖過程中，鋼支撐架設不及時，導致不能形成有效的內部支護結構，且存在一定的超挖現象。所以在后續施工中應對基坑分層、分塊施工，防止超挖，及時施加內支撐。此外，當位移變化較大時應加強監測。

圖3 墻體深層水平位移變化曲線

(3)地表沉降

由圖4可知，基坑卸荷開挖使地連墻發生朝向坑內的水平位移，從而引起周邊地表沉降。隨著開挖的進行，沉降量也逐漸增大，直至底板澆筑后趨于穩定。最大值8.31 mm為設計控制值16.5 mm的50%，說明該基坑支護形式能有效降低開挖對周邊環境的影響。另外，對比位于同一斷面上的地表沉降監測點 D11-1、D11-2、D11-3、D11-4，可以看出，隨著監測點與基坑距離的增大，其沉降量值在逐漸減小，這也與基坑開挖影響分區的理論相對應；對比D11-1、D12-1、D13-1，當各斷面上的監測點與基坑之間距離相同時，其相應階段的沉降量值基本一致。

圖4 地表沉降與開挖時間關系曲線

4 基坑開挖過程數值模擬分析

4.1 模型簡介

根據基坑實際情況，采用MIDAS建立三維基坑模型，綜合模型的計算效率及其邊界效應，尺寸設置為400 m×184 m×80 m，采用了更加符合實際的混合網格生成器，并通過析取功能在地連墻外圍設置了一圈截水帷幕，使模型更貼近于施工實際。所建立的計算模型見圖5。

4.2 本構模型選取

綜合考慮巖土體材料的非線彈性和塑性，選用修正的摩爾-庫倫彈塑性本構。該本構模型尤其適用于本工程中砂土類等具有摩擦特性的材料。

圖5 有限元模型

4.3 基坑開挖工況設置

按照施工順序，可將基坑開挖分為以下7個階段:

工況一:施工地連墻和立柱樁；

工況二:開挖基坑表層土，施工冠梁和砼支撐；

工況三:降水至第二層土下1 m，挖第二層土，加第二道鋼支撐；

工況四:降水至第三層土下1 m，挖第三層土，加第三道鋼支撐；

工況五:降水至第四層土下1 m，挖第四層土，加第四道鋼支撐；

工況六:降水至第五層土下1 m，挖第五層土，加第五道鋼支撐；

工況七:降水至基坑設計開挖深度下1 m，開挖至基坑底部。

4.4 數值計算與實測結果對比

(1)立柱樁沉降

如圖6所示，立柱樁沉降的數值計算值和現場監測值在各施工階段的變化趨勢基本一致，均為前期增長較快，在工況四之后增速減緩，在開挖完成后趨于穩定，兩者的終值也較接近。計算值在施工前期略小于實測值，主要原因為在模擬過程中位于基坑內的支撐施加及時，能有效控制基坑變形。數值計算的穩定終值在19～22 mm，同樣小于設計控制值25 mm，表明數值模擬計算滿足坑底變形要求。

圖6 立柱樁沉降實測值與計算值對比

(2)墻體深層水平位移

由圖7可知，基坑開挖后，地連墻兩側呈現對稱的朝向基坑方向的水平位移，水平位移從上向下表現為先增大后減小的變化趨勢。模擬計算中墻體深層水平位移在各工況下的發展趨勢與實際監測值類似，均為隨開挖的進行而增大，位移最大值出現的位置也保持在開挖面附近，具體位置見表4。

圖7 墻體深層水平位移計算值

表4 各工況下最大值統計

對比圖7和圖3，在各開挖階段，墻體深層水平位移的計算值均明顯小于實際監測值，且開挖完成后的最大值15.8 mm，明顯小于設計控制值23 mm，基坑開挖變形處于可控狀態。這是因為在數值模擬中，內支撐是在對應土層開挖完成的瞬時施加上去的，忽略了實際施工中內支撐的施工時間，減小了基坑處于無支護狀態的時間，是較為理想的施工狀態，故所計算得到的變形值較小，這也說明在施工中及時施加內支撐可以有效控制地連墻的水平變形。

(3)地表沉降

如圖8所示，地表沉降曲線呈現有規律的“凹”槽型。隨著基坑開挖，沉降“凹”槽向下發展，且位移最大值出現的位置會逐漸遠離基坑。工況一中，最大沉降為-2.59 mm，距基坑距離為7.2 m；工況七中，最大沉降為-15.28 mm，距基坑邊24 m。基坑開挖完成時，最大沉降值出現的位置小于基坑開挖深度的兩倍，這也符合基坑開挖影響分區理論。另外，地表沉降最大值-15.28 mm小于設計控制值±16.9 mm，表明基坑開挖對周邊環境的影響較小。

圖8 地表沉降曲線

5 結論

通過對比分析基坑變形的監測值和數值計算結果，可以得出以下結論:

(1)通過坑內立柱樁隆起來監測坑底土體變形，其監測值和計算值都表現為在工況四之前增長較快，之后增速減緩，在基坑開挖完成時基本達到峰值。在各個階段中，兩者差值不大，且都小于設計控制值。

(2)沿墻體深度方向，墻體深層水平位移表現為先增后減的“弓”型曲線。隨著基坑開挖，“弓”型向坑內發展，其最大水平位移出現的位置隨開挖面下移。計算值較實際監測值更滿足設計要求，主要原因為模擬計算中內支撐施加及時。

(3)隨著基坑開挖，地表沉降“凹”槽向下發展，且最大沉降值向遠離基坑的方向移動，最終保持在兩倍的基坑開挖深度范圍內。