砂性土深基坑開挖與支護變形監測的數值分析

趙秀紹，艾成剛，王 旭，鄭 偉

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

砂性土深基坑開挖與支護變形監測的數值分析

趙秀紹，艾成剛，王 旭，鄭 偉

（華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

地鐵車站深基坑開挖面大、變形控制等級高，而南昌又處在砂性土地區，土層黏聚力較小，與其他地區地質差異較大，基坑開挖與支護可借鑒的經驗較少。因此，需要對其變形規律進行研究，為其他車站深基坑設計與施工提供一定的參考。本文以南昌軌道交通某深基坑工程為背景，通過現場實測并結合FLAC3D建立計算模型，對其開挖與支護進行了數值模擬分析，通過計算得出不同開挖階段的地表沉降、圍護樁和周圍土壤分層水平位移、軸力的變化規律。研究結果表明：圍護樁分層水平位移和軸力以及周圍地表沉降直接反映了基坑變形特性，而鋼支撐的施加則明顯限制了基坑的變形。現場監測結果和數值模擬結果得到的規律基本一致。

深基坑；FLAC3D軟件；變形規律；現場監測

0 引言

隨著城市的快速發展以及人口的膨脹，交通的擁堵越來越嚴重，在新形勢下，地下交通成為越來越多的城市緩解交通壓力的一種重要手段［1－2］。近期，國務院又批復了22個城市的地鐵建設規劃，總投資達8 820.03億元人民幣，至2016年中國將新建軌道交通線路89條，總建設里程為2 500 km，當前中國廣泛掀起一股地鐵建設高潮［3］。

深基坑的研究多集中在高層建筑工程領域，而關于砂性土地區地鐵車站深基坑穩定性及變形規律的研究成果還較少。因為地鐵車站一般位于城市交通較繁華地帶，人口以及建筑物較多，因此，在車站施工的過程中必須加強監測以確保附近道路以及建筑的安全［4］。根據南昌軌道交通線路的規劃，許多站點處于主干道上，其周邊建構筑物（特別是老城區周邊的低矮建構筑物）及管線較多，周邊環境相對復雜，而且砂性土地帶土壤黏聚力較差，因此，在地鐵車站深基坑施工的過程中就要特別注意防范，采用信息化施工技術并加強監測，保證深基坑開挖的安全。本文以南昌軌道交通某深基坑施工為工程背景，通過現場實時監測，結合FLAC3D軟件進行數值分析，并將兩者的結果進行對比，得到了一些關于砂性土地區深基坑的變形規律，為類似工程的施工設計提供一些參考［5］。

1 工程背景

該基坑沿南昌市北京東路下方設置，呈東西走向。北京東路為南昌市的交通主干道，交通繁忙，車流量大。車站周邊環境主要是住宅，并有商業金融和少量配套設施用地，地面交通車流量大，情況復雜。本基坑車站為地下兩層島式結構，全長約192 m，最大寬度為22.4 m。勘探深度內，按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為雜填土、粉質黏土、細砂、中砂、粗砂、粉質黏土、礫砂、圓礫、泥質粉砂巖。

2 現場圍護結構

車站基坑整體圍護結構設計采用的是鉆孔灌注樁＋混凝土支撐＋鋼管支撐聯合作用的方式。基坑開挖之前，根據降水設計方案，基坑周圍已經布置了36口深井進行基坑降水。車站深基坑標準段鉆孔灌注樁直徑800 mm，樁間距為900 mm，深度為21 m，嵌入下層基巖，車站主體標準斷面及加寬段在基坑開挖后施作混凝土支撐，隨著開挖的進行，自上而下分別設置兩道鋼支撐，鋼支撐采用直徑為609 mm的鋼管、壁厚為20 mm，鋼管支撐提前加預應力。

3 監測方案設計

基坑開挖之前布置好監測點，根據要求，現場監測的內容主要有樁體水平位移、鋼支撐軸力、土體分層位移、基坑周邊地表變形以及周圍建筑物沉降。監測方案的布置方式是：（1）樁頂水平位移測點間隔式布置在圍護樁樁冠梁上；（2）周圍樁體分層位移以及土體分層位移，分別采用在樁體以及基坑四周埋設帶有軌槽的測斜管，分為土體測斜和樁體測斜，使用美國進口基康測斜儀進行監測；（3）地表沉降是在基坑四周以一定間距分別打地表監測孔，先鉆孔后打入12號圓鋼，深度0.8 m，監測點布置方案如圖1所示。

圖1 現場部分監測點布置平面圖

4 開挖過程FLAC3D計算

土體是一種極其復雜的復合體，具有很復雜的力學特征［6－8］，在外力作用下，土體不僅會產生彈性變形而且還會產生不可恢復的塑性變形［9］，深基坑開挖的影響范圍取決于基坑開挖的平面形狀、開挖深度以及土的特征分類等［10－12］。計算邊界的選取就顯得尤為重要，由于基坑是狹長的空間結構，只選取一段進行模擬計算，所以本模型建立了100 m×60 m（寬×深）的范圍，共劃分52 480個網格單元，57 851個網格節點。模型的底部采用固端約束，左右邊界采用法向約束，如圖2所示。根據現場勘探報告，將各相似土層做了相應的簡化，各土層計算參數及厚度如表1所示。因為本基坑開挖之前已經進行了深井降水，所以數值計算時不考慮水力滲流因素。

圖2 FLAC計算模型及網格劃分圖

表1 模型計算參數

數值計算時，采用摩爾－庫倫彈塑性模型［13］，基坑維護結構與土體之間的接觸面用接觸單元，鋼支撐的模擬采用Beam單元，圍護樁采用實體單元來模擬。模型的開挖、支護模擬共分為3步；第1步，開挖－2.6 m后，在冠梁上施作第1道混凝土支撐；第2步，開挖至－10.2 m后，在－8.7 m處加裝第2層鋼支撐，并預加力；第3步，開挖至－15.6 m時，在－14.1 m處加第3層鋼支撐，直至開挖完成。

5 計算結果與現場監測結果的對比分析

數值計算使用null命令分3步進行開挖，每一步開挖豎向沉降云圖如圖3～圖5所示，開挖完成后，將計算結果與現場監測結果進行對比，如圖6所示。由圖6可以看出：在距基坑邊緣9 m位置出現沉降最大值，中間出現微量隆起，計算值與實際監測值變化趨勢相近，表明了數值模型及參數選取較正確。但計算值較實際監測值平均小4 mm左右，主要是沒考慮基坑周圍施工機械荷載的影響所致。

根據監測方案，現場對樁身水平位移、基坑周邊地表沉降點、土壤分層水平位移進行了實時監測，其中，樁身水平位移和土壤分層水平位移使用的是同一種儀器，即美國基康GK-604測斜儀，因為篇幅所限，現在對圖2中的樁身水平位移、土壤分層水平位移斷面的測點CX-05、TCX-05和地表沉降點D01-05以及軸力ZL-05的變化規律進行FLAC計算和監測數據的對比分析。

圖3 開挖步驟1沉降云圖（單位：mm）

圖4 開挖步驟2沉降云圖（單位：mm）

圖5 開挖步驟3沉降云圖（單位：mm）

圖6 開挖完成后沉降隨距基坑邊距離變化

5.1 樁體水平位移和土壤分層水平位移計算與監測結果對比

由于在開挖之前已經在基坑四周打上圍護樁，是本基坑工程中的主要圍護結構，圍護樁變形的大小直接關系到基坑的穩定性和安全性，對開挖步驟2和步驟3的CX-05、TCX-05測點的樁身水平位移和土壤分層水平位移的計算結果，與現場監測結果變化情況進行比較分析，如表2所示。分析表2可知：計算結果和監測結果在數值上有些不同，但是變形的趨勢基本一致，這可能是數值計算沒有考慮天氣、施工機械、現場運土車、地下滲流的影響的原因。圍護樁最大位移處并沒有出現在樁頂，而是在二分之一樁身偏上的位置，土壤水平位移同樣顯示出這樣的趨勢，在測斜孔中部偏上位置土層的位移最大，大概處在地下13 m左右。

5.2 地表沉降計算結果與監測結果對比

以斷面上的測點D05-01、D05-02、D05-03為例，分析其在3個開挖步驟中的地表沉降變化規律，如圖7～圖9所示。其中，D05-01、D05-02、D05-03與基坑周邊間距分別為3 m、7 m、14 m，對比圖7～圖9可以看出：隨著開挖的進行，基坑四周的地表沉降都在慢慢增大，在整個基坑開挖完成并加上第3道鋼支撐后，基坑四周地表沉降增速減慢，并趨向穩定，且從FLAC3D模擬來看，沉降量最大值出現在施加第3道鋼支撐之前的一段時間。從實測值和計算值來看，兩者數據上有一些出入，但總體變化趨勢大致吻合。由圖7～圖9對比還可以看出：在一定范圍內，隨著與基坑邊緣距離的增加，地表沉降總體有增加的趨勢，即一定范圍內基坑開挖對周邊環境的影響跟距離基坑的遠近正相關，因此，在基坑開挖影響范圍內的建筑要加強監測，防止出現過大的沉降變形。

表2 基坑四周圍護樁水平位移和基坑周邊土壤分層水平位移

圖7 D05-01現場實測值與計算值對比

圖8 D05-02現場實測值與計算值對比

5.3 鋼支撐受力的計算與監測結果對比

在斷面上取第2道鋼支撐ZL02-05為例，分析其在各開挖步驟中軸力的變化規律，如圖10所示。由圖10可以看出：鋼支撐軸力的現場實測值與計算值變化趨勢大致接近。在第2道鋼支撐施加之后，軸力值有不斷增大的趨勢，隨著開挖進行，軸力值趨近于最大，而后在下一道支撐施加后，軸力值又有微量減小，慢慢穩定下來，最后趨于穩定，在開挖至底部時，軸力還有所增加，但增大量較小。

圖9 D05-03現場監測值與計算值對比

圖10 ZL-05鋼支撐軸力計算值與監測值對比

6 結論

以南昌地鐵1號線某車站深基坑工程為背景，采用現場監測與FLAC3D軟件模擬相結合的方法，對現場深基坑開挖與支護變形規律進行了分析研究，得到如下結論：

（1）運用FLAC3D建立了深基坑圍護結構施工過程的計算模型，并按現場監測方案布置監測點，完成了現場監測工作。基坑開挖完成以后，根據現場監測結果和計算結果來看：兩者相差不大，且變化規律基本一致，說明FLAC3D能很好地對基坑分步開挖和支護進行模擬。

（2）深基坑圍護樁是重要的結構構筑物，限制著基坑周邊土層的位移，因此，樁身水平位移能夠很好的反映基坑本身的變形情況，可以作為一個重要的基坑安全指標。地表位移沉降則可以側面反映基坑圍護結構強度，地表沉降在一定范圍隨距基坑邊緣距離增加有增大的趨勢，而鋼支撐的施加可以限制樁身水平位移和地表沉降等基坑變形，對基坑安全有著重要作用。從現場監測情況來看：有時會出現沉降點相對前幾天沉降有隆起的趨勢，本文推測可能是因為鋼支撐反力作用的結果，從而保證了基坑變形不致過大，保持基坑穩定。

（3）根據監測設計方案，樁身水平位移和土壤分層水平位移預警值為25 mm，控制值為30 mm，而現場監測情況表明樁身水平位移最大值為7.98 mm，土壤分層水平位移為7.1 mm；地表沉降設計預警值為19 mm，控制值為24 mm，而實際監測位移則不到10 mm；軸力情況設計預警值為1 026 kN，控制值為1 283 kN，實際監測軸力最大卻不到800 kN，充分說明此深基坑圍護設計安全系數很高，但也說明安全設計偏于保守，可以優化設計，同時為后續類似設計施工提供一定參考。

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U212

A

1672－6871（2014）06－0061－05

國家自然科學基金項目（51208198）；江西省教育廳基金項目（JXJG－13－5－15）

趙秀紹（1978－），男，河南鶴壁人，副教授，博士，碩士生導師，主要從事巖土工程、道路與鐵道工程研究.

2014－03－07