復(fù)雜環(huán)境下深基坑設(shè)計(jì)與變形監(jiān)測分析

吳林韜

（廣西基礎(chǔ)勘察工程有限責(zé)任公司，廣西 桂林 541001）

0 引言

在深基坑設(shè)計(jì)和施工過程中，變形監(jiān)測是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，其目的是對基坑的變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析，保障工程安全[1-3]。該文以某城市地鐵工程深基坑為案例，介紹了在復(fù)雜環(huán)境下深基坑設(shè)計(jì)與變形監(jiān)測分析的過程和方法。在現(xiàn)有地鐵站周圍，建設(shè)地鐵站是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的信息系統(tǒng)，建設(shè)危險(xiǎn)性極高。為了保證建筑施工質(zhì)量，不僅要盡可能減少對既有地鐵站及其附屬工程的影響，還要對距離較近的地鐵站（如站間距離約10 m）進(jìn)行合理評估，以保障施工過程深基坑力學(xué)性能的安全。所以，為了保障建設(shè)地鐵站在建筑施工過程中的安全性和可靠性，有必要進(jìn)行深入研究[3-5]。

盡管工程經(jīng)驗(yàn)法可以提供一定的參考，但是它仍然存在主觀性，無法精確地反應(yīng)深地基在復(fù)雜多變建筑環(huán)境條件下的力學(xué)效果[6]，而數(shù)值模擬技術(shù)可以有效地解決現(xiàn)實(shí)中的基坑穩(wěn)定性問題。是研究深基坑施工過程中力學(xué)特性的一種重要方法。基于某地鐵換乘站深基坑工程，該文構(gòu)建三維空間有限元數(shù)據(jù)模式，并綜合現(xiàn)實(shí)測量數(shù)據(jù)，對相鄰既有地鐵進(jìn)行分析，以期獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果，優(yōu)化深基坑設(shè)計(jì)。

1 工程概況

該地鐵深基坑位于市區(qū)繁華商業(yè)區(qū)域，周圍環(huán)境復(fù)雜，包括多種地質(zhì)類型和地下設(shè)施。車站主體采用直接開挖支護(hù)施工方法。換乘站位于地下二層島式車站，其中心里程處深約16 m，站臺頂部覆蓋約3 m 的土壤，車站主體結(jié)構(gòu)總長度約227 m，總寬度約22 m（標(biāo)準(zhǔn)段），有效站臺長140 m，寬13 m，采用雙柱三跨構(gòu)造，以滿足乘客的出行需求。采取地下連續(xù)墻與內(nèi)部支撐相結(jié)合的支撐形式，主圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚薄分別為1000 mm 和800 mm，其中前者位于既有車站的一側(cè)，后者位于大里程端部，墻頂設(shè)置冠梁，保障構(gòu)造的高度穩(wěn)定和安全。水平支撐體系由鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)組成。

2 建立數(shù)值模型

該文旨在深入研究新建地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖和支護(hù)施工過程中的受力和變形特征，為此，結(jié)合工程設(shè)計(jì)和施工方案，建立三維有限元數(shù)值模型，以便更好地分析和預(yù)測其受力變形情況。

2.1 數(shù)值模型的基本假設(shè)

這座地鐵站的深基坑是1 條長條形，靠近現(xiàn)有的地鐵站。當(dāng)基坑分段開挖時(shí)，施工現(xiàn)場的施工環(huán)境是多變的。由于缺少與現(xiàn)場施工土壤壓實(shí)試驗(yàn)和既有站點(diǎn)主體構(gòu)造有關(guān)的詳細(xì)資料，為了更好地模擬實(shí)際情況，提高有限元分析和計(jì)算結(jié)果的效率，對建模和解析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行精簡，并做出以下7 種假設(shè)：場地各土壤的界面保持水平，取各土壤的平均厚度。2）排除層間土的因素，保持土壤質(zhì)量在相同深度范圍內(nèi)是均勻的并且不考慮實(shí)際土壤的空間不均勻性。3）假設(shè)在每次土方開挖建設(shè)前，地下水已降至土壤挖掘面下最少2 m，地下連續(xù)墻具有良好的止水效果，因此可以忽略基坑開挖期間地下水對現(xiàn)場的危害。4）不論基坑開挖前現(xiàn)場土壤的應(yīng)力分布和變形如何，都可以通過采取相應(yīng)預(yù)防來提高質(zhì)量，以保證建設(shè)平安、高效、可靠。根據(jù)參考地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，可以獲得該值。5）在基坑施工過程中，采用一次挖掘逐層建立數(shù)值模擬工作條件并且考慮到分段和分區(qū)挖掘?qū)拥呢?fù)面影響。6）地下連續(xù)墻的物理力學(xué)財(cái)產(chǎn)沿墻深不變，且與周圍土層的摩擦接觸系數(shù)不受水深的負(fù)面影響。7）不論機(jī)械、建筑材料的種類、數(shù)量、大小，都應(yīng)該按照規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，以保證工程質(zhì)量。它們都按照20 kPa 的地面過載沿基坑邊緣周圍的20 m 范圍均勻分布。

2.2 三維數(shù)值模型

研究表明，在地基挖掘和支護(hù)施工期間，其對周圍環(huán)境的深度的影響通常是基坑開挖的4 倍，而寬度的影響則可能達(dá)到5 倍。為了更好地模擬實(shí)際情況，該文提出了一個(gè)450m×168m×52m 的綜合模型，如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型

使用修正的Mohr-Coulomb 來構(gòu)建模型，以仿真基坑開挖階段中土體的工程特性。為了提高擋土體系的支撐能力，根據(jù)該地區(qū)深基坑工程建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和該建設(shè)項(xiàng)目的巖土工程勘察研究報(bào)告，對現(xiàn)場各層的基本物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以保證地基的安全性和穩(wěn)定性。經(jīng)過簡化處理后，表1 顯示了現(xiàn)場各土層厚度及其主要物理力學(xué)性能。此外，表2、表3 列出了新建車站的深地基擋土結(jié)構(gòu)體系以及既有車站的主體結(jié)構(gòu)板、柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便更好地反映實(shí)際情況。

表1 土層的物理參數(shù)

表2 支撐結(jié)構(gòu)的組成參數(shù)

表3 現(xiàn)有車站主體結(jié)構(gòu)的組成參數(shù)

2.3 施工條件模擬

按照該工程施工方案，基坑內(nèi)土方開挖面應(yīng)位于每次架設(shè)的內(nèi)支撐軸線以下，深度不低于0.5m，鋼支撐軸線以下0.4 m，以便更好地模擬施工過程。主要施工條件見表4。

表4 深基坑開挖的模擬施工條件

3 數(shù)值模擬結(jié)果

X軸指向基坑的長度方向，Y軸指向基坑的寬度方向，兩者均為水平方位；Z軸指向基坑的縱深的方向，垂直于上方位為正。

3.1 地下連續(xù)墻的水平位移

圖2 展示了在各種計(jì)算條件下，地下連續(xù)墻在地基各個(gè)部位的高低位移變化情況。從圖中可以清楚地看出，當(dāng)基坑挖到最下部時(shí)，東端長邊中段墻面的最大水平位移達(dá)到38mm，而北側(cè)短邊中段墻面的較大水平變形則達(dá)到20mm。在地基北端以東的斷面附近，墻面的最大水平位移達(dá)到了25mm，而且這一位移量還超過了墻面頂部以下的2/3 處，這表明了墻面的穩(wěn)定性和抗拉強(qiáng)度。

圖2 地下連續(xù)墻的水平位移模擬曲線

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)基坑北側(cè)短邊中部的地下連續(xù)墻變形最小，其次是東端附近的地下隔墻，而長邊中部的地下隔墻變形最大，這應(yīng)該是監(jiān)測深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵區(qū)域。

3.2 內(nèi)支撐軸向力

根據(jù)數(shù)值模擬提取的計(jì)算結(jié)果，選擇基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面和基坑北端東側(cè)斷面，可以分析各支護(hù)軸向力隨工況進(jìn)展的變化。從數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基坑平面不同位置的第一支護(hù)軸向力有所減少。當(dāng)基坑開挖至基底時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)段水平直撐和北端水平斜撐的軸向力非常接近，約為100kN；北端垂直直撐，表明基坑端部空間效應(yīng)更明顯，有利于第一支護(hù)的受力；在基坑平面的每個(gè)位置處的第二和第三支撐件的軸向力隨著工作條件的進(jìn)展上下波動(dòng)并最終穩(wěn)定；基坑中最后一次土壤開挖導(dǎo)致第四個(gè)支護(hù)的軸向力顯著增加。在設(shè)置第二和第四支撐后，上支撐的軸向力減少。例如在基坑的標(biāo)準(zhǔn)截面，第一個(gè)水平支撐的軸向力從-182.32kN 降至-155.12kN；第三個(gè)水平支撐的軸向力從-932.17kN 降至-732.17kN。在整個(gè)基坑開挖過程中，第二個(gè)支撐的軸向作用力最大。當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí)，最大值已達(dá)到-2413.22kN。因此，在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對基坑二次支護(hù)軸向力的監(jiān)測，及時(shí)處理現(xiàn)場堆放，控制施工開挖進(jìn)度。

經(jīng)過數(shù)值模擬和計(jì)算，選擇基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面和東側(cè)斷面作為基坑的北端，以保障安全。可以分析各支護(hù)軸向力隨工況進(jìn)展的變化。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，隨著施工條件改善，第一支護(hù)軸向力顯著減少，當(dāng)基坑挖掘至基底時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)段水平直撐和北端標(biāo)準(zhǔn)斜撐的軸向力超過100kN，表明基坑端部空間效應(yīng)更加明顯，有利于第一支護(hù)的受力；此外，第二支撐件和第三支撐件的軸向力也會隨著條件的變化而變化，最終穩(wěn)定；最后一次土壤挖掘會導(dǎo)致第四個(gè)支護(hù)的軸向力顯著增加。總的來說，在設(shè)置第二和第四支撐后可以看出效果顯著改善，上支撐的軸向力減少。在基坑的標(biāo)準(zhǔn)截面上，第一個(gè)水平支撐的軸向力顯著降至-155.12kN；而第三個(gè)水平支撐的軸向力則有所下降，最終降至-732.17kN。在整個(gè)基坑開挖過程中，第二個(gè)支撐的軸向作用力最顯著。當(dāng)基坑挖到最深處時(shí)，其最大負(fù)荷已經(jīng)達(dá)到-2413.22kN，因此，在施工過程中，必須采取有效措施來保障安全。應(yīng)加強(qiáng)對基坑二次支護(hù)軸向力的監(jiān)測，及時(shí)處理現(xiàn)場堆放，控制施工開挖進(jìn)度。

3.3 數(shù)值模擬和測量值的比較分析

表5 為每個(gè)分析條件下的內(nèi)部支撐的軸向力比較，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)支架在基坑中開挖和支撐時(shí)，模型計(jì)算值顯示支架處于壓縮狀態(tài)，但實(shí)際上支架承受了72.12 kN 的張力；在隨后的施工條件下，第一支撐件和第三支撐件的軸向力的實(shí)際測量值明顯高于模擬計(jì)算值，而第二和第四支撐件的軸向力的實(shí)際測量值則低于模擬計(jì)算值。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際施工過程中支護(hù)力不僅受到基坑本身的開挖和卸載的影響，還受到施工荷載和周圍環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化的影響。在數(shù)值模擬中，由于大面積逐層一次性開挖，基坑在第一次開挖后會面臨復(fù)雜多變的施工環(huán)境，因此它會表現(xiàn)出與圍護(hù)結(jié)構(gòu)不同的應(yīng)力和變形特征。

表5 每個(gè)分析條件下的內(nèi)部支撐的軸向力比較

根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三維模型計(jì)算出的基坑的周圍最終地面沉降值大于實(shí)際情況。分析表明，這可能是由于模型施工條件與實(shí)際施工過程中復(fù)雜的基坑開挖和卸載方法不同所導(dǎo)致的。在基坑邊緣13 m 處，最大的表面沉降量達(dá)到-10.3 mm，這一數(shù)值與沉降曲線的“凹槽”現(xiàn)象非常接近，表明該模型能夠有效地模仿基坑施工過程中周圍地表的下沉變化。

4 結(jié)論

通過三維有限元數(shù)值分析模型，對新建地鐵換乘站深基坑開挖和支護(hù)施工流程進(jìn)行仿真，研究了受力和變形特征，包括地底連續(xù)性墻的水平位移、內(nèi)支撐的軸向力和周圍地面沉降。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)果：①基坑在挖掘和施工，變形逐步發(fā)展為地基，每側(cè)地底連續(xù)性墻的最高水平位移位于該側(cè)的中部，這表明基坑施工流程中受力和變形特征發(fā)生了顯著變化，需要采取相應(yīng)對策來控制和減少變化，以保障施工安全。隨著基坑的深入施工，地底連續(xù)性墻的厚度會逐步減少。②在整個(gè)開挖過程中，第二支撐的軸向力是較大的，因此應(yīng)該加強(qiáng)對第二支撐軸向力的監(jiān)測，及時(shí)處理現(xiàn)場堆載，以控制施工進(jìn)度。③隨著施工條件的改善，地表沉降的影響范圍會擴(kuò)展到周圍環(huán)境，導(dǎo)致沉降值進(jìn)一步增大。在所有綜合分析條件下，結(jié)果表明，論斷是正確的，基坑?xùn)|側(cè)開放區(qū)域現(xiàn)場表面的土壤都在下沉，當(dāng)基坑開挖至基底時(shí)，其沉降在基坑短邊呈現(xiàn)溝槽現(xiàn)象。④通過數(shù)值模擬分析和實(shí)際測量結(jié)果的對比，可以更加準(zhǔn)確地反映基坑施工過程中的力學(xué)特性，從而更好地滿足施工要求。然而，它仍然是有限的，因?yàn)樗荒芡耆蛯?shí)時(shí)地響應(yīng)實(shí)際現(xiàn)場施工環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化。在實(shí)際施工過程中，這類基坑應(yīng)分層分段開挖。