基于監測與數值模擬的基坑開挖變形特征分析

丁 飛， 張 杰， 孫仁浩

(中煤第三建設(集團)有限責任公司，安徽 合肥 230071)

0 引 言

目前我國眾多城市正在開展城市地下軌道交通建設，其中地鐵車站一般設置于交通要道位置，周邊環境復雜，地面建筑、公共基礎設施眾多，地下管線、管道縱橫交錯，地鐵車站基坑工程建設的安全性受到極大關注。國內外已發生過多起基坑施工，導致重大的人員傷亡與經濟損失[1-3]。因此，從勘察、設計、施工到最終的驗收各個環節都必須嚴格按照國家及行業標準規范操作，才能確保工程建設的可靠性[4, 5]。

基坑施工過程中的實時監測，是準確掌握基坑施工導致圍護結構及周邊建筑與土體變形與發展的主要手段，是研判工程施工安全性的重要信息來源，為基坑施工的安全性保駕護航。

本文以合肥地鐵第三條軌道交通線中的某車站基坑工程實例為依托，基于基坑施工過程中的監測數據，并結合三維有限元數值分析，對基坑開挖導致地表沉降、樁墻體位移、坑底隆起等現象進行了分析，為類似工程建設提供相關經驗。

1 工程概況

1.1 工程場地地質結構

合肥地鐵3號線某車站主體結構為地下2層三跨島式車站，車站總建筑面積為28 337 m2，整個車站長504.85 m，標準段寬22.7 m，標準段開挖深度約17.25 m，頂部覆土厚度3.5～4.0 m，地面設計標高19.1～20.7 m。

根據地勘報告，基坑開挖深度范圍內所涉及土體均為第四紀松散沉積物，屬第四系濱海平原地基土沉積層，主要成分為飽和黏性土和粉土，具有成層分布特點，如圖1所示。土層從上至下依次為：

①素填土：褐灰色，濕潤，松散～稍密，主要為粉質黏土，含有較多渣土、碎石成分，連續層狀分布。

②可塑性黏土層，主要分布在坳谷和一級階地，軟塑～可塑，灰褐色～灰黃色，局部有不厚的淤泥質粉質黏土、粉砂透鏡體。

③硬塑性黏土層：局部為粉質黏土，夾灰白色高嶺土團塊，硬塑～堅硬，局部為可塑～軟塑，夾有少量鐵錳結核，局部富集鐵錳結核，偶有層厚2～3 m中密飽和的粉土、粉砂透鏡體分布。

④殘積粉質黏土層：褐黃色、棕紅色夾少量灰白色，硬塑～堅硬，局部可塑，夾少量鈣質結核，呈半固結狀態。

⑤白堊系上統張橋組：泥質砂巖為主，局部夾泥巖，棕紅色，暗紅色，全～中等風化，泥鈣質膠結，為較軟巖。

圖1 地質縱剖面示意圖

車站所處區域周邊不存在河流、溝渠。地下水以第四系孔隙水為主。第四系孔隙水主要存在于黏土層中，為上層滯水。黏土層廣泛分布，整體厚度大，埋深淺，分層明顯，含水量少。地下水埋深較淺，集中在2～4 m 范圍，單井涌水量一般不會超過 10 m3/d，年水位變化幅度為3～5 m。地下水補給主要來自于大氣降水，并通過孔隙及巖石裂隙進行滲流。黏性土透水性較弱，含水層出水能力差，土體連通性差。

1.2 基坑圍護結構

該車站標準段基坑圍護結構采用φ1 000 mm鉆孔樁+3道內支撐，樁心距1 300 mm，其中第一道內支撐為800 mm×1 000 mm混凝土支撐，其余2道支撐為φ609 mm(t=16)的鋼支撐；端頭井基坑較深處圍護結構采用φ1 000 mm 鉆孔樁+4道內支撐，第一道為混凝土支撐，其余3道為φ609 mm(t=16)鋼支撐，加設 1 道換撐形式；換乘節點處采用φ1 200 mm 鉆孔樁+5 道內支撐，其中第一道為混凝土支撐，第二、五道為φ609 mm(t=16)鋼支撐，第三、四道為φ800 mm(t=18)鋼支撐，并加設 1 道換撐[φ609 mm(t=16)鋼支撐]形式。

2 監測數據分析

該車站基坑采用明挖順作法施工，圍護樁施工后，開挖第一層土方，進行關聯、第一道混凝土支撐澆筑，后續分層、分段開挖至每道支撐下0.8 m時，架設鋼支撐并及時施加預應力。

施工過程中嚴格按照規范要求進行監測，及時掌握基坑開挖變形規律，保證施工安全。該基坑的監測等級為Ⅰ級。

2.1 地表沉降監測結果

選擇基坑周邊某代表性監測點的監測數據，分析基坑從地表開挖至底板處的周邊土體地表沉降特征，如圖2所示。

圖2 基坑周邊地表沉降分布圖

可見，在開挖初期，地表沉降值不穩定，出現一定的波動。在開挖后期逐漸趨于穩定，呈現“凹槽形”，最大沉降點不在圍護樁周邊，大致位于距基坑邊緣13 m處。地表最大沉降值為15.79 mm，小于報警指標0.15%H且小于30 mm，滿足規范要求。

2.2 圍護樁樁頂垂直位移監測結果

選擇標準斷面上的某根圍護樁，分析其累計垂直位移特征，如圖3所示。

可見，在土體開挖階段圍護樁樁頂的垂直位移總體趨勢是逐漸增大的，在土體開挖至坑底后，樁頂垂直位移趨于穩定，該監測點垂直位移最大值為-6.58 mm。

1.3 圍護樁水平位移監測結果

開挖后土體產生的土壓力全由維護樁承擔，選擇標準斷面上的某根圍護樁，分析其累計水平位移特征，如圖4所示。

圖3 圍護樁樁頂垂直位移分布圖

圖4 圍護樁水平位移分布圖

可見，基坑開挖至坑底后，圍護樁的最大水平位移發生在-11.5 m處，其值為17.80 mm，小于報警指標0.15%H且小于30 mm，滿足規范要求。樁體水平位移最大值位于樁身中下部，樁體呈現兩端變形小、中下部變形大的特征。

3 三維有限元數值模擬

3.1 數值建模

現采用三維有限元對基坑開挖過程進行數值模擬，根據地勘報告，從上至下各土層可分為雜填土、可塑性黏土、硬塑性黏土、全風化砂巖、強風化砂巖、中風化砂巖。采用小應變土體硬化(HS-Small)本構模型對各土層進行模擬，主要計算參數見表1。

表1 土體計算參數 (HS-Small本構)

圍護樁按照抗彎剛度相等原則等效為地下連續墻，采用板單元進行模擬，其計算參數為：重度γ=25.0 kN/m-3，彈性模量E=3.25E7 kPa，泊松比v=0.15。鋼筋混凝土支撐采用梁單元進行模擬，鋼支撐采用錨桿單元進行模擬(為了方便施加預應力)。采用15節點的三角形單元進行網格剖分，如圖5所示。

圖5 基坑計算模型

計算模型頂面為自由面，無約束條件；模型底面每個方向均約束，為固定邊界條件；模型4個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

4.2 計算步驟

根據實際開挖情況，計算步驟如下：

第一步：生成初始自重應力場。

第二步：激活板單元，進行圍護樁施工。

第三步：開挖至地表以下-1.2 m處。

第四步：激活鋼筋混凝土支撐。

第五步：開挖至地表以下-7.2 m處。

第六步：激活第一道鋼支撐，施加820 kN的預應力。

第七步：開挖至地表以下-12.2 m處。

第八步：激活第二道鋼支撐，施加920 kN的預應力。

第九步：開挖至坑底。

4.3 計算結果分析

計算得到了基坑開挖至底部后土體的位移分布情況，如圖6所示。可見，車站基坑兩側由向坑內傾斜滑動的趨勢，在圍護結構的中下部位移矢量較大，坑底土體發生了向上隆起的位移，隆起值達到3 cm。

圖6 土體位移矢量分布圖

典型斷面處的地表土體豎向沉降分布如圖7所示。可見，計算值與實測值的曲線規律基本一致，最大豎向沉降大致位于距基坑邊緣13 m處。但計算值總體上略比實測值大一些，如計算得到的地表最大沉降值為17.6 mm，比實測值大11.46%。

圖7 基坑周邊地表沉降計算值

典型斷面處圍護樁的水平位移計算值如圖8所示。計算值與實測值的曲線規律基本一致，圍護樁的最大水平位移發生在-11.8 m處。圍護樁上部(10 m深度內)的水平位移與實測值取得了較好的吻合，但圍護樁下部(超過10 m深度)的水平位移計算值略大于實測值，如計算得到的圍護樁最大水平位移為19.8 mm，比實測值大11.23%，該誤差范圍是可以接受的。

圖8 圍護樁水平位移計算值

計算得到了圍護結構的彎矩分布情況，如圖9所示。可見，彎矩最大值發生在圍護結構的中下部，彎矩最大值為1 146 kN·m。樁體水平位移較大的區域，其受到的彎矩也相對較大。

圖9 圍護結構彎矩分布圖

由于土體本構模型及巖土參數選取、構件等效等方面存在不確定性，且通常數值模擬難以完全模擬實際情況，因此計算結果與監測結果存在一定的差異，但計算得到的規律與實際情況基本一致，在誤差不大的情況下計算結果是可以接受的。

4 結束語

對合肥市地鐵3號線某車站基坑工程的開挖過程進行了數值模擬，結果表明開挖到底后地面最大豎向沉降發生在距基坑邊緣13 m處，樁體水平位移最大值位于樁身中下部，樁體呈現兩端變形小、中下部變形大的特征。計算值與實測值誤差相對較小，是可以接受的。