復雜環(huán)境下超大深基坑開挖變形監(jiān)測數(shù)值模擬研究

王曉健

(中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津 300350)

基坑的大規(guī)模建設將會加大施工風險，而周邊區(qū)域建筑物及環(huán)境較為復雜，導致基坑挖掘深度隨之加大。為確?；娱_挖的安全，需在復雜環(huán)境條件下進行開挖變形監(jiān)測數(shù)值的模擬。目前的數(shù)值模擬研究無法精準獲取基坑開挖變形數(shù)據(jù)，受限于一定的基坑開挖深度，數(shù)值模擬的可靠性較差。

利用仿真軟件分析地表沉降趨勢，并測量最大沉降數(shù)值，獲取數(shù)值變化規(guī)律，實現(xiàn)有效數(shù)值模擬研究，具有一定設計參考價值。分析基坑開挖全過程信息，著重解析變形規(guī)律，并對比模擬數(shù)值與實際測量結果，但數(shù)值模擬的精準性較低。由此，傳統(tǒng)基坑開挖變形監(jiān)測數(shù)值模擬研究未充分考慮基坑挖掘深度環(huán)境信息，對于初始數(shù)據(jù)獲取的力度較差，數(shù)值模擬結果較差。為此，針對上述問題，本文提出一種新式復雜環(huán)境下超大深基坑開挖變形監(jiān)測數(shù)值模擬研究。

本文在有效進行有限元模擬，獲取精準開挖模擬數(shù)據(jù)后根據(jù)不同的基坑狀態(tài)進行模擬分析，進一步提升數(shù)值模擬的精準程度，充分考慮復雜環(huán)境的影響執(zhí)行模擬指令，完善模擬程序，具有較為廣泛的應用性。

一、工程概況

本文研究的工程為西安地鐵八號線工程，該工程主要包括堡子村站以及楊家莊站至堡子村站區(qū)間、堡子村站至廣泰門站區(qū)間等，該區(qū)域場地原結構大多為居民房、廠房、苗圃，研究期間此些建筑均拆除，地表建筑垃圾數(shù)量較多，且存在建筑基礎殘留物。地面高程在403.99 m 至407.73 m 之間，地貌屬于浐河三級階地，地勢呈現(xiàn)東南高西北低的趨勢，地面最大高差為6 m 左右，建筑類別為Ⅱ類，地下抗震結構較強。

二、有限元模擬

1.超大深基坑開挖變形數(shù)值監(jiān)測參數(shù)

在對復雜環(huán)境下超大深基坑開挖變形監(jiān)測數(shù)值進行模擬研究的初始階段，需獲取監(jiān)測參數(shù)，有效分析不同監(jiān)測環(huán)境下的變形程度[3-4]。本文設置參數(shù)提取劃分公式：

式中，F(xiàn)為提取參數(shù)；L表示土層不同參數(shù)；k表示模擬階段；d為提取時長。

根據(jù)區(qū)域特征匹配三維模型模擬參數(shù)提取流程，按照工程施工所處環(huán)境構建土體監(jiān)測中心點，及時調(diào)整參數(shù)監(jiān)測范圍，當基坑開挖達到一定深度后收集挖掘數(shù)據(jù)作為開挖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測參數(shù)。

2.有限元計算模型

根據(jù)基坑開挖變形監(jiān)測參數(shù)構建有限元計算模型，固定基坑開挖的影響范圍，減少開挖變動對模型結構的影響。確定開挖影響深度為實際開挖深度的5 倍，不計算在影響區(qū)域外的基坑土體變形監(jiān)測數(shù)值[5]。為加強基坑開挖變形模擬的有效性，根據(jù)實際挖掘的尺寸等比例構建有限元模型，模型的水平方向直角邊長為178 m，垂直方向直角邊長為95 m，土體深度主要提取前6 層土體厚度作為研究對象，綜上構建三維立體模型，基坑三維模型如下圖1 所示：

圖1 三維模型

其模型公式如下所示：

其中，S（n）為有限元計算模型參數(shù)；v為水平方向直角邊長；q為垂直方向直角邊長；p表示挖掘尺寸參數(shù)；e為常數(shù)。

按照構建的模型分配計算比率，同時執(zhí)行內(nèi)部基坑開挖變形監(jiān)測指令，在基坑邊緣設置有限元計算監(jiān)測點，完成模型的計算操作[6]。

3.施工步驟模擬

根據(jù)建立的有限元模型進行施工步驟模擬處理，利用GTS 模擬基坑開挖過程，具體施工步驟如下所示：

（1）構建基坑土體層次模型，將不同的土層劃分為相應的網(wǎng)格區(qū)，在網(wǎng)格內(nèi)部設置土體位移邊界條件參數(shù)。

（2）平衡基坑圍護內(nèi)部初始應力數(shù)值，將土體位置數(shù)據(jù)清零。

（3）根據(jù)基坑開挖的程序依次執(zhí)行挖掘指令，直至完成挖掘工程。按照施工步驟設置模擬施工方程式：

式中，Eα表示為模擬施工參數(shù)；D表示為維護初始應力；Qm,n為網(wǎng)格區(qū)域數(shù)據(jù)；Qm,n表示邊界條件參數(shù)。

當完成全部施工模擬后，加強對施工模擬收錄數(shù)值的整體分析，完成施工步驟模擬操作[7-8]。

三、基坑數(shù)值模擬

1.基坑形變模擬

由于基坑在開挖的過程中將產(chǎn)生不同程度的邊坡塌陷問題，為確保整體研究安全性，分析基坑邊護的位移狀況，同時匹配模擬參數(shù)信息，在網(wǎng)格計算區(qū)域內(nèi)部構建形變模擬中心參數(shù)，對應不同的開挖過程設置形變模型公式：

式中，O為形變參數(shù)；Zt為基坑邊緣土體結構數(shù)據(jù)；為基坑開挖平均深度；σ為位移條件參數(shù)。

根據(jù)獲取的形變參數(shù)確定網(wǎng)格結構單元的位置，匹配基坑挖掘預應力數(shù)值，在水平方向測量位移的最大值，控制基坑外部的土體位移變化，當基坑周邊土體位移趨于穩(wěn)定后將土體位移數(shù)值轉化為土體變形程度數(shù)據(jù)，進而獲取所需的基坑形變模擬參數(shù)，達到形變模擬的目的[9-10]。

2.基坑應力模擬

為有效分析基坑開挖過程中的不同方向土體形變影響，在進行數(shù)值模擬的同時研究應力等值線的大小程度，根據(jù)應力大小判斷不同區(qū)域的基坑支護結構參數(shù)，提高基坑數(shù)值模擬研究的可靠性[11-12]。根據(jù)應力數(shù)值集中加強對應力較大區(qū)域的基坑土體的管理，重點監(jiān)控該區(qū)域的形變程度。在基坑開挖邊緣區(qū)域設置應力感應裝置，當應力超出研究范圍后，感應裝置將自動發(fā)出預警信號，避免應力過大導致模擬結果不準確[13-14]。

調(diào)整應力監(jiān)測點位置，應力監(jiān)測點位置調(diào)整表達式如下：

式中，H為調(diào)整參數(shù)；r表示基坑形變程度；d為調(diào)整范圍圓弧直徑；l為基坑模擬高度；a表示支護結構參數(shù)；sinθ為監(jiān)測角度三角函數(shù)；i為監(jiān)測距離。按照調(diào)整后的監(jiān)測點計算應力數(shù)值，完善基坑中心區(qū)域應力信息，實現(xiàn)基坑應力模擬。

將之前模擬的基坑數(shù)值進行平穩(wěn)性分析，判斷分析的數(shù)值是否為常數(shù)。利用數(shù)列調(diào)節(jié)數(shù)值模擬的流程，并根據(jù)挖掘的時間間隔預測整體模擬程序[15]。確定模擬模型的執(zhí)行條件，解析在不同變化狀態(tài)下的模擬流程匹配原則，隨機抽取模擬路徑，按照路徑信息加強對參數(shù)的估計處理，設置數(shù)據(jù)參數(shù)估計方程式：

其中，G表示參數(shù)估計數(shù)值；c表示模型執(zhí)行條件參數(shù)；tb為模擬流程匹配原則；γ為估計狀態(tài)。

根據(jù)估計的模擬參數(shù)獲取數(shù)值模擬的最佳階數(shù)，按照時序模型的數(shù)據(jù)處理準則分配模擬流程任務，在規(guī)定的開挖時間內(nèi)調(diào)整模擬次序，結合時間序列管理收集的流程參數(shù)，計算自相關函數(shù)的估計數(shù)值，標準化處理協(xié)方差參數(shù)，精準匹配估計量數(shù)據(jù)，并驗證流程假設，若假設成立，則完成流程建設。

四、計算結果分析

根據(jù)上述模擬情況，選用西安地鐵八號線工程進行施工研究，得到的施工工況如下表1 所示：

表1 施工工況

對上述施工工況進行監(jiān)測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.監(jiān)測數(shù)據(jù)計算結果

（1）基坑圍護結構數(shù)據(jù)變化分析

根據(jù)圖2 可知，隨著基坑開挖深度的加大，圍護結構變化的程度不斷加大，其變化路線主要由樁頭位置向樁身位置變化。當基坑挖至底層，圍護結構變化的最大數(shù)值基本穩(wěn)定在圍護墻身12m 左右的位置。該變化圖能夠明顯展示基坑在復雜環(huán)境下的開挖變形狀態(tài)。

圖2 基坑圍護結構數(shù)據(jù)變化分析結果

（2）基坑外部地表土體變化分析

按照實際挖掘的情況提取模擬對象目標范圍內(nèi)的模型土體，并固定土體研究方向。對基坑開挖后的數(shù)值模擬模型變化圖進行分析，如圖3 所示：

圖3 基坑開挖后數(shù)值模擬模型變化

根據(jù)上圖信息可知，當基坑開挖到底層時，基坑外部地表土體變化達到最大值，變化中心由挖掘邊緣向外側移動，最終呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的變化趨勢，變化的影響范圍主要在距離基坑開挖區(qū)域15m 的位置。

（3）基坑圍護受力狀況分析

提取開挖基坑圍護結構板數(shù)據(jù)，其具體狀況如圖3 所示：

根據(jù)圖4 可知，在超大深基坑開挖的同時，圍護外墻與其內(nèi)部支撐區(qū)域連接點為應力集中點?；訃o的受力區(qū)域主要位于第3、4 兩道內(nèi)部支撐區(qū)域，造成此種現(xiàn)象的主要原因在于隨基坑開挖深度的增大，初始位置的圍護支撐與后側圍護板支撐之間的距離相對較大，基坑土體壓力過大。

圖4 基坑圍護受力狀況分析

2.監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬分析

（1）水平位移分析

根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析其水平位移狀況，設置相應的水平位移數(shù)據(jù)監(jiān)測點，并在監(jiān)測點中心安裝位移數(shù)據(jù)感應裝置，時刻記錄土體的位移程度，控制基坑開挖方向，集中處理距離基坑開挖施工較近的土體位移情況。圖5 為數(shù)據(jù)水平位移監(jiān)測點的實際測量數(shù)值與模擬數(shù)值對比示意圖。

圖5 實際測量數(shù)值與模擬數(shù)值對比示意圖

由圖5 可知：

①隨著基坑開挖的深度的加大，實際數(shù)值與模擬數(shù)值均具備上下方數(shù)值較小，中間數(shù)值較大的規(guī)律，該結果表明基坑的表層能夠有效避免上層數(shù)據(jù)的位移。

②隨著基坑內(nèi)部土體變形程度的加深，監(jiān)測區(qū)域土體所受的壓力不斷增加，導致其位移加大，該情況表明相同深度的土體變形程度對監(jiān)測區(qū)域數(shù)據(jù)位移影響較為顯著。

③監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大位移數(shù)值處于基坑開挖面周邊區(qū)域。根據(jù)以上結果分析可以得出，本文構建的數(shù)值模擬分析能夠較好的預測基坑開挖過程中的變形數(shù)據(jù)的狀態(tài)，能夠有效加強對基坑開挖設計的分析力度，進一步提升整體基坑挖掘的安全性。

（2）沉降監(jiān)測和隆起監(jiān)測

進一步模擬監(jiān)測區(qū)域的地表沉降情況，監(jiān)測土體沉降及隆起數(shù)值。圖6 為沉降監(jiān)測與隆起監(jiān)測結果圖：

圖6 沉降監(jiān)測與隆起監(jiān)測結果

由圖6 可以看出，基坑開挖變形區(qū)域地表沉降在距離挖掘區(qū)域相應位置處生成沉降槽，地表沉降隨基坑開挖距離的增加而產(chǎn)生由大到小的規(guī)律，當開挖的距離較遠時，可自行忽略變形區(qū)域地表沉降數(shù)據(jù)。

實際測量的地表沉降測線如圖7 所示：

圖7 地表沉降測線

將該結果數(shù)據(jù)與圖5 結果數(shù)據(jù)進行對比得出，本文數(shù)值模擬所獲取的沉降結果與實際測量的沉降結果在數(shù)據(jù)變化狀態(tài)與數(shù)量上大體相同。

由于變形區(qū)域地表沉降同樣存在較強的空間效應，在進行沉降與隆起監(jiān)測的過程中，對比基坑開挖邊緣的變形程度，檢驗不同區(qū)域點的沉降數(shù)值，隔斷處理基坑開挖土體，提升基坑土體剛度，減少無關因素對數(shù)值模擬的影響。

（3）與實測結果對比

將最終計算的模擬數(shù)值與實際測量的數(shù)值進行對比，其對比結果如圖8 與圖9 所示。對比結果能夠有效揭示在復雜環(huán)境下的超大深基坑在開挖情況下的時空效應。

圖8 基坑水平位移

圖9 沉降位移

由圖9 可知，本文數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)與實際測量的數(shù)據(jù)之間的差異較小，基坑開挖變形的規(guī)律趨于一致，表明數(shù)值模擬結果較為精準。

將圖8 中模擬的數(shù)值與實際測量的數(shù)值進行對比得知，基坑開挖變形的最大數(shù)值位于距離樁體深度10 m 的位置，該現(xiàn)象表明基坑內(nèi)部土體變形主要集中在第3 道圍護內(nèi)部支撐中。

圖9 表明基坑在開挖的過程中周圍區(qū)域土體不斷蠕動，其內(nèi)部土體沉降最為顯著的位置位于距離基坑邊緣10 m 的區(qū)域內(nèi)。

從整體上看，實際測量的數(shù)值相對于本文數(shù)值模擬的結果較大，該現(xiàn)象的主要原因在于，在進行數(shù)值模擬的過程中未充分考慮施工場地附加條件對整體模擬的影響，當施工中的基坑開挖深度過大時，將會導致較為明顯的基坑時空效應，進而加大開挖的形變程度。

本文深入分析復雜環(huán)境下超大深基坑開挖變形監(jiān)測數(shù)值模擬研究，并獲得如下結論：

（1）本文在進行變形數(shù)值模擬的過程中充分考慮挖掘場地周邊環(huán)境對變形測量結果的影響，分析導致滲流變化的因素，并加強對基坑周邊土體位移數(shù)據(jù)的處理力度，提高監(jiān)測的精準性，完善數(shù)據(jù)優(yōu)化操作。

（2）在工程開挖的同時匹配環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，減少無關因素的影響，構建基坑圍護加固支撐體系，進一步增強對基坑開挖施工的控制，避免數(shù)值的提取失誤，集中處理位于基坑開挖有效區(qū)域內(nèi)的變形數(shù)據(jù)，提升整體監(jiān)測效率，重視后期數(shù)值監(jiān)測與模擬操作，實現(xiàn)高效模擬研究。

綜上所述，本文研究的數(shù)值模擬方法能夠有效預測基坑開挖變形狀況，但在實際模擬的過程中仍存在些許不足之處：

（1）由于實際施工中將產(chǎn)生各種不可抗因素，在數(shù)值模擬的過程中未充分研究不同開挖強度以及內(nèi)部支撐力度的影響，為此，在后續(xù)操作中需加強對模擬場景的施工處理，增強數(shù)值模擬的可靠性。

（2）在模擬的同時匹配環(huán)境參數(shù)，進一步提升模擬的準確性。