深基坑施工監測與數值模擬

劉振華

摘要：通過對廣州市軌道交通十三號線一期工程夏園站至南崗站區間設置的盾構井兼軌排井深基坑施工過程中的圍護結構內力和地下連續墻水平位移進行實際監測和數值計算分析，研究了基坑施工過程圍護結構受力特征和對周圍環境產生的影響，得出圍護結構內力分布和基坑水平位移變化規律，為類似大跨度基坑施工和圍護結構設計提供依據。

關鍵詞：深基坑；圍護結構；施工監測；軌道交通

中圖分類號：U453.4文獻標志碼：B 文章編號：1000033X（2016）06011605

0引言

隨著地鐵的廣泛建設，國內出現了大量基坑工程，且基坑深度和規模越來越大，基坑施工和支護結構的設計問題越發重要[13]。如今基坑工程的設計，大多數是根據理論和工程經驗；但由于工程地質條件的多樣性和不確定性，以及計算方法和參數選取沒有統一標準，經驗設計已難滿足深大基坑的設計要求，這給基坑工程的發展帶來了許多問題[46]。隨著計算機技術不斷進步，各種工程監測方法日新月異，推動了基坑工程的信息化施工[7]。本文在基坑施工進行過程中監測基坑圍護結構變形規律，適時調整施工方案，確保安全施工；并且和數值模擬對比分析，驗證數值模擬和參數選取的可行性，為基坑設計提供參考。

1工程概況

本文的依托工程為廣州市軌道交通十三號線一期工程夏園站至南崗站區間設置的盾構井兼軌排井。

盾構井范圍內管線較多，重點管線有2條，分別為埋深7.81 m的Φ1 000 mm混凝土排水管線和埋深1.55 m的Φ1 200 mm混凝土給水管線。其中，混凝土排水管線永久改遷至基坑西北側，其余管線均為臨時改遷。盾構井周邊房屋建筑較少，北側為低層居民房，東側為黃埔東路，交通繁忙。

盾構井場地范圍內巖土層主要物理力學指標如表1所示。

本盾構井處于珠江三角洲沖積平原下游地段，線路淺部主要地層為海陸交互相沉積層，因而地下水位較淺；勘察期間地下水水位埋深變化不大，穩定

2基坑支護設計

盾構井采用明挖法施工，長614 m，寬255 m，標準段開挖深度2281 m，端頭井開挖深度2382 m。主體結構采用單層三跨矩形框架結構，全外包防水；圍護結構采用1 000 mm厚連續墻加內支撐圍護方案，連續墻標準幅寬6 000 mm。基坑深度方向共設置4道內支撐，其中第1、2、3道為混凝土支撐，第4道為鋼支撐。3道混凝土支撐和3道環梁一同澆筑，與連續墻共同組成圍護結構。由于該基坑要滿足盾構始發兼軌道吊裝要求，所以基坑水平方向只布置2道混凝土支撐，水平間距36 m。地下連續墻采用C30混凝土，混凝土支撐和環梁采用C40混凝土。圍護結構平面和剖面布置如圖1、2所示。

3基坑監測

3.1監測目的

（1）通過將監測數據與預測值作比較，判斷上一步施工工藝和施工參數是否符合或達到預期要求，同時對下一步施工工藝和施工進度進行控制，從而實現信息化施工。

（2）通過監測發現工程樁施工過程中的環境變形發展趨勢，及時反饋信息，以達到有效控制施工對周邊環境影響的目的。

（3）將現場監測結果反饋給設計單位，使設計能根據現場工況發展，進一步優化方案，達到優質安全、經濟合理、快捷施工的目的。

（4）通過跟蹤監測，使支撐拆除階段施工科學有序，保障基坑始終處于安全運行的狀態。

3.2監測項目

根據現場實際情況和規范要求，基坑主要監測項目和測點布置如表2所示。

3.3監測結果分析

3.3.1支撐軸力和環梁應力監測結果分析

根據設計資料，監測4道支撐的軸力，同時在環梁受力最大處監測環梁應力值。支撐軸力和環梁應力監測曲線如圖3所示。

4道支撐和環梁一起組成支撐體系，從圖3可以看出，支撐軸力和環梁應力的變化主要經歷4個階段。

（1）第一階段是第1道混凝土支撐和環梁的施作到開挖到第2道支撐底部。這個階段第1道混凝土支撐軸力和環梁應力隨著基坑開挖深度的增加呈線性增長，該階段為第1道混凝土支撐軸力和環梁應力增長的主要階段。

（2）監測到35 d時，第2道支撐和環梁施作完成，一直到第3道支撐施作前，為第2階段。這一階段第2道支撐軸力和環梁的應力急劇增大，第2道環梁承受了主要的壓力。該階段為第2道環梁應力增長主要階段，第1道環梁應力增長緩慢。由于第2道支撐的施作，第1道支撐的軸力明顯減小，隨后增長緩慢。

（3）監測到56 d時，第3道支撐和環梁施作完成，一直到第4道鋼支撐施作前，為第3階段。這一階段第3道環梁的應力急劇增大，第3道環梁承受了主要的壓力，應力值明顯大于前2道環梁，該階段為第3道環梁應力增長主要階段，前2道環梁應力增長緩慢。第3道支撐和環梁一樣，軸力也呈線性急劇增大，前2道支撐軸力突然減小后增長緩慢，第3道支撐承受了主要土壓力。

（4）到85 d時，第4道鋼支撐加設完畢，一直到開挖到基底，為第4階段。第4道鋼支撐的架設，使前3道支撐軸力稍微減小，但隨著基坑開挖，軸力又逐漸增大。這一階段雖有第4道鋼支撐的作用，但鋼支撐分擔壓力畢竟較小，因此第3道環梁應力明顯增大，并且大于前2道環梁應力。

3.3.2地下連續墻水平位移監測結果分析

地下連續墻的變形能很好地反應基坑的穩定性，且該基坑中間位置水平位移為最大值，因此選取基坑中間位置測斜管進行監測，結果如圖4所示。

由圖4可見，第1步土體開挖至3.5 m深，沒有架設支撐，地連墻水平位移呈前傾狀，位移最大值位于墻頂。第2步開挖至10 m深，并且施作了第1道環梁和支撐，地連墻變形曲線呈弓形，最大水平位移位于基坑開挖面附近。第3步開挖到16 m，地連墻變形曲線和第2步開挖相似，只是最大位移隨著基坑的開挖不斷下移。第4步基坑開挖完畢，最大水平位移出現在基底附近。在施作支撐時，地下連續墻的位移有明顯減小趨勢，施作支撐后，地下連續墻位移增長速率也變小。

4數值模擬及分析

4.1三維模型建立

根據基坑實際工程情況，對基坑整體建立三維模型，模型尺寸選取基坑開挖深度的2～5倍。模型長度方向邊界到基坑邊距離取約3倍基坑開挖深度，模型寬度方向邊界到基坑邊距離取約3倍基坑開挖深度，模型底部邊界到基坑底部距離取約2倍基坑開挖深度，模型總尺寸為180 m×145 m×74 m，如圖5所示。

4.2計算參數和邊界條件

本工程深基坑支護措施主要有地下連續墻、環梁、混凝土內撐和鋼支撐，支護參數的合理選取是影響模擬計算結果合理性的重要因素之一，本模型支護結構計算參數如表3所示。

本工程采用理想彈塑性模型進行計算，根據DP屈服準則，結構自重按材料重度參數和模型尺寸由軟件計算確定。結合基坑實際施工情況，基坑頂部為地面，按自由面算，不進行約束。模型前后限制X方向位移，左右側限制Y方向位移，底部限制Z方向位移。

4.3數值模擬結果分析

4.3.1環梁應力分析

模擬得到不同開挖步驟環梁所受應力云圖，如圖6、7所示。環梁最大拉應力如表4所示，最大壓應力如表5所示。

表4表明，第5步開挖時，3道環梁拉應力達到最大值，并且第3道環梁拉應力最大，為3.17 MPa，

位于環梁中間位置處，這與基坑中間位置監測值最大相符合。第3和第4步開挖環梁最大拉應力從上到下依次減小，第5步開挖環梁最大拉應力從上到下依次增大。主要原因是，隨著基坑開挖深度增大，基坑內外壓力差增大，基坑底部向坑內水平位移變大，下部支撐承受最大壓力。3道環梁拉應力變化趨勢和監測結果相一致。

表5表明，3道環梁壓應力變化趨勢和監測結果一致，可以達到預測基坑圍護結構受力要求。第5步開挖時3道環梁壓應力達到最大值，并且第3道環梁壓應力最大，為4.43 MPa，位于環梁兩端位置處。隨著開挖步驟的進行，環梁最大壓應力從上到下依次增大。主要原因是，隨著基坑開挖深度增大，基坑內外壓力差增大，基坑底部向坑內水平位移變大，兩端出現向基坑外側的位移，兩端環梁壓應力也逐漸變大。

4.3.2地下連續墻水平位移分析

模擬得到不同開挖步地下連續墻水平位移云圖，如圖8所示。

圖9為基坑中間地下連續墻水平位移計算結果曲線，計算曲線和監測數據變化趨勢相似。第1步開挖時地下連續墻最大水平位移位于墻頂，曲線呈前傾狀，最大值為2.04 mm，正值表示向基坑開挖方向偏移。之所以墻頂位移最大，是因為第1步開挖時還未架設支撐，地下連續墻呈懸臂狀態，因此最大位移出現在墻頂。隨著開挖的進行，基坑開挖深度不斷增大，地下連續墻最大位移位置逐漸下移，變形曲線呈弓形，最大水平位移位于基坑開挖面附近。第5步開挖后，地下連續墻水平位移達到最大值679 mm，在規范容許范圍內。

5結語

（1）對基坑監測結果的分析證明，在基坑施工過程中，圍護結構受力大小和基坑變形量均滿足設計要求，該基坑圍護結構的設計是安全合理的。

（2）運用有限差分軟件對基坑施工過程和圍護結構進行數值模擬，將計算結果和實際監測數據進行對比分析發現，圍護結構受力特征和基坑變形規律大致相似。數值模型和參數選取合理，可指導類似基坑工程模擬計算；但由于實際施工環境的復雜性和巖土參數的不確定性，數值模擬很難完全真實地反映實際施工情況，使得模擬與實測結果仍存在一定差異。

（3）根據本工程實際監測數據和數值模擬結果，對于支撐間距較大的基坑，特別是像本工程這樣，2道混凝土支撐間距36 m的基坑，豎向3道環梁加支撐組成的圍護體系即可以滿足設計要求；不僅受力合理，施工方便，并且大大減小了對基坑周邊環境的影響，是一種很好的基坑圍護方式。

（4）第1步開挖時，基坑最大水平位移位于墻頂，施作支撐后，基坑和地下連續墻最大水平位移都位于基坑開挖面附近，水平位移變化曲線呈弓形。隨著基坑開挖深度增加，水平位移逐漸變大。每一開挖步驟的水平位移變化曲線呈相似關系。

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