地鐵基坑開挖中圍護結構變形規律分析

鄧海濤

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

近年來，由于城市交通的快速發展，地鐵站臺施工大多處于城市各區域，尤其是鬧市區、經濟開發區等地.地鐵基坑施工容易產生基坑塌方，引起周邊地面沉降甚至引發道路垮塌等不良工程現象[1-3].目前對地鐵基坑開挖變形的研究主要集中在對監測資料分析或數值模擬分析上，如葉帥華[4]以蘭州市地鐵某車站基坑工程為例，研究了其開挖過程中的樁頂位移、地表沉降、鋼支撐軸力的監測曲線，證明了鉆孔灌注樁聯合鋼管內支撐結構安全可行；孫建超[5]以西安某地鐵基坑為例，運用ABAQUS軟件建立該地鐵基坑的三維模型，并模擬了基坑開挖過程中的周邊地表沉降和圍護結構變形特征及變化規律；陳振飛[6]以福州地鐵6 號線某段工程為例，通過有限元方法對地鐵基坑施工全過程進行了數值模擬，并研究了樁基及基坑施工對地鐵盾構隧道的影響，提出了支護的重要性；孫會良[7]以南寧地鐵1 號線某站為研究對象，通過結合FLAC 3D 數值模擬及現場監測數據，總結了圓礫地層基坑施工地表變形規律，提出了相關的圍護方案以確保基坑穩定和結構安全.

上述研究對地鐵基坑開挖的變形研究有了較為豐富的認識，但是如何進行地鐵基坑開挖模擬反演以及準確性驗證仍需進一步提升.故本文以洛陽市某段地鐵基坑為例，采用MIDAS 數值軟件進行地鐵基坑開挖支護數值模擬，同時結合多個監測數據如樁頂位移、內支撐軸力、地表沉降等進行對比分析，綜合研究該段工程數值模擬與監測數據分析的可靠性，為同類工程研究提供借鑒依據.

1 地鐵基坑開挖工程概況

1.1 項目概況

洛陽市地鐵某站位于西苑路—牡丹廣場下方，呈東西向分布，本站為1、3號線換乘站，采用平行換乘.車站為明挖兩層島式（雙島）車站，主體結構基坑由廣場負二層基坑和其內部的1、3 號線車站及區間的負二層基坑組成.1 號線區間范圍負兩層基坑寬約22.5 m，深約10.64～13.26 m；3 號線區間范圍負兩層基坑寬約16.8 m，深約12.26～14.46 m.基坑支護結構采用鉆孔灌注樁+基坑內支撐的結構體系，其中支護樁嵌入土6 m，基坑內支撐分為3 道支撐程序，第一道為鋼筋混凝土支撐，間距為9 m；第2 和3 道為鋼管支撐，間距為3 m.基坑內支撐施工方案見圖1所示.

圖1 基坑開挖過程中第一道和第二道內支撐方案圖

1.2 工程地質條件概況

根據場區內的勘察報告顯示：場地未發現巖溶、崩塌、滑坡、泥石流等不良工程地質現象，站基坑開挖范圍地層從上到下依序為雜填土、素填土、粉質黏土、粉細砂、黏土、強風化安山巖、中風化安山巖.車站底板位于黏土層—強風化安山巖層，鉆孔灌注樁嵌入中風化安山巖中.地層分布情況見表1所示.

表1 各土層埋深分布表

2 地鐵基坑開挖及監測方案設置

2.1 基坑開挖及支護步驟

地鐵基坑開挖支護步驟如下：（1）開挖前首先進行井點預降水處理，確保降水深度不超過坑底地下1 m 的位置，以此起到預先加固地基的作用；（2）進行基坑地連墻及樁體施工；（3）工況一，基坑開挖至-1.3 m，進行第一道內支撐支護；（4）工況二，基坑開挖至-5.3 m，進行第二道內支撐支護；（5）工況三，基坑開挖至-9.3 m，進行第三道內支撐支護；（6）工況四，基坑開挖至-13.3 m.

2.2 基坑監測方案布置

為研究基坑開挖支護過程中基坑變形以及對周邊地表沉降的影響，本項目基坑檢測布置如圖2所示，并對樁基以及內支撐軸力等采用自動化監測儀器、對地表變形采用定期人工監測及數據實時處理.圖2中所示的J1—J19為基坑降水井分布，用于基坑開挖施工前的預降水處理；Z1—Z14代表地鐵車站基坑樁基測斜管，采用固定傾斜儀（型號為MI600）和測斜管（PVC，精度0.6 mm）監測，主要布置在基坑標準段中點、陽角處等平面撓曲值較大的部位；D1—D70 代表基坑周邊地表沉降監測點，主要設立在基本周邊變形明顯處及基坑開挖長邊/短邊/陽角處.采用高精度物位計（SMSP-500型）與數據采集模塊（SMS-CJ40）.

圖2 基坑監測布置平面圖

為了研究基坑開挖支護前后周邊土層開挖規律，同一連線處的地表沉降監測點共同組成一個監測斷面.圍護結構監測及軸力監測由于設置在基坑開挖內部，故在基坑監測布置圖平面圖中未進行展示，其具體位置與樁監測點位置類似，主要設置在基坑標準段中點、陽角處等平面撓曲值較大的部位.

3 有限元數值模擬

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX 軟件建立基坑開挖數值模型，模型長度和寬度方向各取基坑長寬尺寸的2.0 倍尺寸范圍，深度取約3 倍的影響范圍，詳見圖3 所示.在模擬過程中對各土層采取等厚處理，各土層選取評價厚度由上到下依次為①-1雜填土層（厚度約3.0 m）、①-2 素填土層（厚度約3.0 m）、②-1b2粉質黏土層（厚度約4.5 m）、②-2d3細粉砂層（厚度約11.5 m）、②-2e 黏土層（厚度約2.0 m）、③-K1 強風化安山巖（厚度約2.0 m）和③-K2 中風化安山巖（厚度約10.0 m）.模型尺寸長寬高為250 m×75 m×36 m，模型單元平均大小為3 m，共計105417個節點、558233個單元.模型固定底邊與前后左右四邊約束，其頂面為自由邊界面，模型計算前先進行初始地應力平衡后，按上述實際開挖支護工序步驟進行基坑開挖支護模擬.

圖3 基坑開挖有限元模型

基坑各地基土的參數根據勘察報告和室內試驗確定，具體如表2 所示.支護結構的規格及參數如表3所示.

表2 各土層計算參數表

表3 支護結構規格及參數表

3.2 樁頂水平位移模擬與監測數據對比

選取1 號線與3 號線基坑中部典型斷面位置，樁頂處水平位移監測選取Z1、Z2、Z13、Z14、Z5、Z11 六個測點進行分析，其中Z1、Z2 測點位于1 號基坑的最左側，Z13、Z14 測點位于3 號基坑最右側，Z5測點位于1號基坑中間位置，Z11測點位于3號基坑中間位置，現對選取6個測點的模擬變化位移值與監測數據進行分析，分析結果如圖4—5 所示.

圖4 Z1、Z2、Z5樁頂模擬水平位移變化曲線

由圖4、圖5 可以看出：1 號基坑最左側Z1、Z2測點與3 號基坑最右側Z13、Z14 測點的樁頂水平位移累計值的絕對值呈現增大的趨勢.與監測數據對比可知，Z1、Z2、Z13、Z14測點的樁頂水平位移累計值的絕對值在監測過程中呈現震蕩增大的趨勢，其中Z1 點最大位移絕對值達到3.5 mm，Z2 點最大位移絕對值達到3.8 mm，Z13點最大位移絕對值達到8.4 mm，Z14 點最大位移絕對值達到9.0 mm.1號基坑中部Z5測點與3號基坑中部Z11測點的樁頂水平位移累計值的絕對值呈現增大后平穩的趨勢；與監測數據對比可知，Z5測點、Z11測點的樁頂處水平位移累計值的絕對值呈現震蕩增大后平穩的趨勢，Z5 點最大位移絕對值達到15 mm，Z11 點最大位移絕對值達到14.5 mm，該兩處監測點樁頂處水平位移在起初基坑開挖初期位移逐漸增大，且向坑內側偏移，在后期基坑內部施加支撐布置后，水平位移有所減小.

圖5 Z11、Z13、Z15樁頂實測水平位移監測曲線

綜合對比模擬和實際監測數據后可發現，模擬數據曲線相對比較光滑，而實際監測曲線相對比較震蕩變化，其原因是實際施工過程中受到的擾動較多，無法一一在軟件中體現，但是整體的變化趨勢和數據較為接近，說明模擬達到了實際工況反演的效果.在實際工程施工中應注意減小基坑樁頂水平位移，如避免基坑中部發生大面積堆載等現象.

3.3 圍護結構深層水平位移模擬與監測數據對比

選取1號基坑中部的典型斷面位置，即標準段中點處圍護結構進行分析，選取1號基坑西部正中間測點進行分析，深層水平位移模擬曲線和實測曲線如圖6—7所示.

圖6 圍護結構深層模擬水平位移變化曲線

圖7 圍護結構深層實測水平位移監測曲線

由圖6—7圍對比可知：在基坑開挖初期，豎向圍護結構水平變形位移沿基坑深度的變化曲線呈現“懸臂式”，圍護結構頂部表現出最大水平位移，整體上而言位移變形量較小；隨著后期基坑開挖的進行，基坑圍護結構深層水平位移逐漸變大，并且在曲線形式上呈現出“弓形”，在豎直方向，圍護結構體中部出現較大的水平位移，上下處相對位移較小.同時對比圍護結構水平位移模擬值與實測值曲線后，發現兩者的曲線變化趨勢基本一致，這說明本次數值模擬的結果能夠較好地反應地鐵基坑工程的實際情況.其中，通過數值模擬發現圍護結構的最大水平位移值為17.53 mm，基坑深度約-8.7 m處，而實測圍護結構的最大水平位移值為13.85 mm，基坑深度約-10.2 m處，且均發生在工況4階段，深度約開挖深度2/3 m處.

3.4 支撐軸力模擬與監測數據對比

本次選取1 號基坑和2 號基坑中部的典型斷面位置，即標準段中點處第一道內支撐監測點進行分析，其支撐軸力模擬曲線和實測曲線如圖8—9所示.

圖8 1號基坑支撐軸力模擬與監測值變化曲線

圖8 為1 號基坑支撐軸力模擬值與監測值變化曲線，其基坑支撐軸力模擬值要小于實際監測值.因前期支撐布置過程中監測數據未能及時收集，導致部分數據缺失，而數值模擬完全模擬出整個基坑開挖支護過程，故模擬值是從0 點開始增大；但到了后期模擬值和監測值曲線逐漸逼近并都趨于平穩，最終模擬1號基坑支撐軸力穩定值約為3200 kN，實際1 號基坑監測支撐軸力穩定值約為3500 kN，模擬和實際相差8.57%.圖9 為3 號基坑支撐軸力模擬值與監測值變化曲線，其變化趨勢和圖8 較為類似；最終模擬的3 號基坑支撐軸力穩定值約為3000 kN，實際3 號基坑監測支撐軸力穩定值約為3200 kN，模擬和實際相差6.25%.但總體而言3 號基坑后期支撐軸力穩定值要小于1 號基坑后期支撐軸力穩定值，這與基坑開挖尺寸有關，3 號基坑開挖長度要相對小于1 號基坑的開挖長度，故臨空壓力較小，支撐結構所受的壓力也較小.同時模擬值和實際監測值存在一定的偏差，也與實際施工過程中受到的擾動較多，如車流及人流較大、不穩定荷載變化范圍不確切等無法一一在軟件中體現，但是整體的變化趨勢和數據較為接近，說明模擬達到了實際工況反演的效果.

圖9 3號基坑支撐軸力模擬與監測值變化曲線

3.5 周邊地表沉降模擬與監測數據對比分析

為研究本地鐵基坑開挖對周邊建筑物的影響，故在基坑開挖周邊設置了地表監測孔位，用于實時監測地表變形位移，選取1號基坑長邊與短邊中部斷面處的監測點（D17—D25 與D1—D8）作為分析對象，其模擬曲線與實際監測曲線見圖10—11 所示.在基坑開挖初期，引起的周邊地表沉降位移值整體較小，沉降曲線近似呈“下三角形”分布，最大位移發生在靠近基坑邊緣的部位，距離約3～8 m 范圍內；隨著基坑深度的不斷開挖，基坑周邊地表變形量也相應增大，由模擬可知，在工況四下距離基坑壁約7.5 m 發生最大地表變形2.5 mm，而根據實際監測數據在工況四時，距離基坑壁約10.0 m發生最大地表變形2.7 mm，且兩者的沉降曲線都大致呈現“凹槽形”分布.

圖10 長邊中點處周邊地表沉降模擬值曲線

圖11 長邊中點處周邊地表沉降監測值曲線

1 號基坑短中部斷面處的監測點（D1—D8）數值模擬曲線與實際監測曲線見圖12—13 所示.由模擬可知，在工況四時距離基坑壁約10.0 m 發生最大地表變形2.3 mm；而根據實際監測數據可知，在工況四時，距離基坑壁約13.0 m 發生最大地表變形2.2 mm，且兩者的沉降曲線都大致呈現“凹槽形”分布.整體上而言，基坑長邊的沉降主要影響范圍比短邊大，且發生的沉降量也大，基坑開挖長邊對地表沉降影響范圍為3.85 倍開挖深度，基坑開挖短邊對地表沉降影響范圍為2.67 倍開挖深度，超過后影響很小.

圖12 短邊中點處周邊地表沉降模擬值曲線

圖13 短邊中點處周邊地表沉降監測值曲線

4 結論

本文對洛陽市某地鐵基坑施工進行了有限元數值模擬和現場自動化監測，通過對兩者的結果進行分析，得出以下結論：

（1）數值模擬得到的曲線較為圓滑，而實際監測曲線由于受到多種外界因素的影響較為震蕩變化，樁頂處水平位移在起初基坑開挖初期位移逐漸增大，且向坑內側偏移，在后期基坑內部施加支撐布置后，水平位移有所減小，最大樁位移主要發生在基坑開挖中部，而陽角處等變形相對較小.

（2）在基坑開挖初期，豎向圍護結構水平變形位移沿基坑深度的變化曲線呈現“懸臂式”，在后期曲線呈現出“弓形”，且模擬值與實際值有較好的相似性，最大變形深度約在開挖深度2/3 m處.

（3）在基坑開挖后期基坑支撐軸力逐漸趨于穩定，且開挖寬度越大，基坑支撐軸力也相對越大；同時，在基坑開挖初期，引起的周邊地表沉降位移值整體較小，沉降曲線近似呈“下三角形”分布，在開挖后期，沉降曲線近似呈“凹槽形”分布，且基坑長邊的沉降主要影響范圍比短邊大.