基坑開挖土體位移變化實測與數值模擬分析

鄒升偉

(南京市江寧區交通運輸局，南京 211100)

對于城市中心的基坑工程，完好保護地面建筑物、地下構筑物及周邊環境，逐漸成為設計和施工的主要控制因素，應使基坑工程施工對環境影響控制在允許范圍內[1]。研究并總結土體位移傳遞規律，能夠有效地對基坑工程進行變形控制[2]。

基坑開挖時由于開挖卸荷導致坑底土體隆起引發周邊地層移動，也導致圍護墻在外側水土壓力的作用下產生水平位移。隨著開挖深度的增加，基坑內外的土面高差不斷增大，高差達到一定程度造成的加載和地面超載作用，會使墻外側土體向基坑內移動，同時引起較明顯的地面沉降[3]。當前針對墻后地面以下土層的位移研究還僅限于規律性的探討,如Blackburn等[4]、Wang等[5]對基坑周邊土體位移場變化所做的研究。基坑開挖引發的四周地層變形，從基坑周邊起逐步向外傳遞，存在一個位移傳遞路徑以及漸變[6]的過程。當基坑鄰近地面建筑物時，會導致建筑物面向基坑傾斜[7]；當基坑鄰近剛度較大的地下構筑物時，基坑開挖引發的周邊土層變形的位移場傳遞會表現出與正常基坑位移場的差別及突變過程。鑒于西安市南門廣場市政下穿隧道基坑工程東臨城墻、西臨地鐵車站開挖工程，結合本工程實測數據及有限元數值模擬，對比基坑東、西位移場的差異，研究其位移傳遞規律。

1 工程概況

西安市南門廣場市政下穿隧道基坑長為118.3 m，標準段寬為20.4 m，最大深度為9.2 m。距離基坑西側6.4 m處為地鐵2號線永寧門站開挖工程點。距離基坑東側11.7 m處為西安城墻。基坑與地鐵車站及城墻的平面布置如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵車站及城墻的平面布置

該基坑采用半逆作法施工，坑周澆筑地下連續墻作為基坑圍護結構，坑內設3道豎向鋼支撐。以基坑某軸施工為參考，工況一于2014年3月8日開始圍護結構地下連續墻施工，于2014年4月28日完工；工況二于2014年 5月8日—5月21日開挖至-2 m處，于-1.5 m處設置第一道鋼支撐；工況三于2014年5月28日—6月9日開挖至-4.5 m處，于-4 m處設置第二道鋼支撐；工況四于2014年6月15日—6月22日開挖至-7 m處，于-6.5 m處設置第三道鋼支撐；工況五于2014年6月28日—7月6日開挖至基底并完成底板澆筑。基坑開挖與地鐵車站及城墻的立面示意如圖2所示。

圖2 基坑開挖與地鐵車站及城墻的立面示意(單位：m)

2 監測數據分析

2.1 東側城墻位移

以該基坑工程8～9軸施工為依據，分析各工況施工過程中基坑東側城墻的整體位移變形，基坑施工階段城墻沉降如圖3所示。DJC1～DJC4分別為由西向東布設于城墻頂端的監測點，假定初始狀態頂端位置為0.0 mm。由圖3可知，工況一施工階段城墻整體上升，西側上升了0.3 mm，東側上升了0.1 mm，剛開始呈現出背向基坑傾斜的趨勢；工況二施工階段城墻發生下沉，西側下沉至-0.4 mm，東側下沉至-0.2 mm，與開始階段不同，此時呈現出面向基坑傾斜的趨勢；工況三施工階段城墻繼續下沉，在工況二的基礎上，西側又下沉了0.5 mm，東側又下沉了0.2 mm，面向基坑傾斜趨勢增大；工況四施工階段西側進一步下沉至-1.4 mm，東側進一步下沉至-0.7 mm；工況五施工階段至底板完工，面向基坑傾斜趨勢更為明顯，城墻西側累計下沉了-2.4 mm，東側累計下沉了-1.1 mm。

圖3 基坑施工階段城墻沉降

2.2 西側地鐵車站位移

同樣以8～9軸施工為依據，基坑施工階段車站底板變形如圖4所示。XJC1～XJC4分別是由西向東布設于西側隧道底板、西側立柱、東側立柱、東側隧道底板上的監測點，假定初始狀態底板位置為0.0 mm。由圖4可知，工況一施工階段西側隧道抬升至0.2 mm，東側隧道抬升至0.7 mm，車站結構整體抬升，剛開始同樣呈現出背向基坑傾斜的趨勢；工況二施工階段，與城墻不同，地鐵車站背向基坑傾斜的趨勢更加明顯，在工況一的基礎上西側隧道下降了0.8 mm，東側隧道抬升了1.2 mm；工況三、工況四和工況五施工階段，車站結構背向基坑傾斜趨勢持續增大，直至施工完成，西側隧道累計下降至-1.7 mm，東側隧道累計抬升至2.9 mm。

圖4 基坑施工階段車站底板變形

通過實測數據分析，基坑開挖過程中東側地面城墻呈整體面向基坑傾斜趨勢，而西側地鐵車站呈背向基坑傾斜趨勢。鑒于該情況，采用有限元數值模擬分析基坑開挖對周邊環境的影響，通過與實測對比分析，驗證數值模擬的合理性，從而進一步探討基坑開挖過程中土體位移場的變化。

3 數值模擬分析

通過對基坑東西兩側位移場和應力場的變化比較，運用MIDAS GTS軟件進行數值模擬分析，從中尋找復雜環境下位移場的分布特征，進而確定基坑開挖過程中土體位移傳遞規律。為使數值模擬效果貼近真實開挖過程，采用分步開挖、分步支護和分步加卸載的方式。

3.1 計算模型

采用MIDAS GTS軟件進行二維數值模擬[8]分析，計算基坑開挖過程中土體位移場的變化。分析過程中，土體介質假設為非線性彈塑性介質材料，土體破壞準則采用彈塑性摩爾-庫倫模型準則。

對于地鐵車站、城墻及地下連續墻材料，因其彈性模量遠大于土體，所以都按彈性受力狀況來考慮，對結構材料采用彈性梁單元模擬。由于模擬中計算參數的選定是進行數值模擬分析的關鍵，為了能夠最大限度反映各介質的性質，對于土體參數的選取結合了西安市南門區域的巖土工程勘察報告和MIDAS巖土土體參數的材料庫，各土層物理力學參數如表1所示。地下連續墻的參數選取：彈性模量E=3×104MPa，厚度D=600 mm。支撐的參數選取：彈性模量E=2×105MPa，截面A=4.9×10-3m2，截面慣性矩I=1.2×10-3MPa,預應力P=250 kN。

表1 各土層物理力學參數

模型建立中，地鐵車站、城墻及地下連續墻采用二維梁單元，支撐結構采用一維梁單元。土體采用軟件自帶的修正摩爾-庫倫本構模型，采用4節點平面單元,將模型中除古土壤層外其余土層都設置為陜西典型的④-1黃土層。同時通過模型試算將表1中的②-1黃土層和②-2黃土層對基坑及周邊環境的影響作用簡化為厚度不變的④-1黃土層,二者對基坑及周邊環境影響相同(不贅述具體的試算簡化過程)。通過設置和調整，對比分析實測數據，除基坑底部模擬值較實測值偏大較多以外，其余數值模擬與實測結果較吻合。對于邊界約束的設置，左右兩側設為水平約束，下部設為豎向約束，上部設為自由邊界。MIDAS網格如圖5所示，整體看作平面應變問題，采取分步開挖和分步支護來模擬整個施工過程。

圖5 MIDAS網格

3.2 模擬結果分析

3.2.1 模擬與實測結果對比分析

通過對比分析模擬與實測數據，判斷模擬中的各計算參數選取是否合理，模擬是否能在一定程度上反映實際情況，從而用于研究位移傳遞規律。

城墻沉降數值模擬結果與實測數據對比如圖6所示，由圖6可知，基坑開挖后城墻沉降的數值模擬計算曲線與實際監測曲線形狀一致，且隨著開挖深度的增加，兩曲線形狀始終保持基本一致，只是斜率略有差異。

圖6 城墻沉降數值模擬結果與實測數據對比

車站底板變形數值模擬結果與實測數據對比如圖7所示，由圖7可知，兩曲線形狀比較一致，但不同工況下的模擬值都大于實測值，通過參數分析并結合施工現場調研，發現是因為距基坑西側5 m左右有大型施工設備經常碾壓及臨時建筑材料堆放，導致該部分土體長期承受地表重壓。

圖7 車站底板變形數值模擬結果與實測數據對比

數值模擬與實測結果總體較吻合，表明模擬中的計算參數選取相對合理，模擬能夠較清晰地反映實際，也說明后續的位移傳遞規律具有研究價值。

3.2.2 基坑東西兩側位移場影響機制分析

由MIDAS GTS二維數值模擬的位移場可以看出，東西兩側的位移場有很大不同。東側坑周地面下沉，地面建筑物面向基坑傾斜，而西側坑周地面有少許上抬，地下結構背向基坑傾斜。這表明地下結構的存在導致位移場變化，基坑開挖打破了原有的土體內力平衡，從而使土體產生位移。東側的位移是產生后向坑周發展，并逐步向坑外傳遞的連續過程，因此地面結構面向基坑傾斜。而西側位移傳遞到地下結構時，由于結構剛度較大，土體位移的連續傳遞被中斷，但結構下部的土體位移傳遞卻在繼續。因為力的相互作用，土體對結構物有影響，結構物也必然反作用于鄰近土體，相當于屏障起遮攔作用，甚至使支護結構變形減小，圍護結構背后需要補充的土也減少，導致結構物與基坑間的土體向上位移。另外，地下結構與周邊土體的剪切力作用同樣帶動土體向上，最終導致地下結構背向基坑傾斜。

3.2.3 臨界深度分析

受基坑開挖的影響，土體變形從基坑向外擴展進行土體的位移傳遞，傳遞過程中車站底板整體抬升，以遠離基坑那一邊的車站底部為轉動支點，隨著基坑開挖深度的增加，繼續上抬，導致地鐵車站背向基坑傾斜。但隨著開挖深度進一步加深，土體位移場再次發生變化，此時存在一個臨界深度，超過臨界深度后，地下車站由背向基坑傾斜變成面向基坑傾斜。車站底板臨界深度變形曲線如圖8所示，運用模擬軟件增加模擬開挖深度，由圖8可知，當開挖深度達到-13.2 m時，位移場已經發生明顯變化，當開挖深度達到-14.2 m時，地鐵車站呈面向基坑傾斜，由此判斷位移場發生突變的臨界深度應該為基坑開挖至地鐵車站深度的1.5倍左右。此基坑開挖臨界深度的進一步精準確立與驗證，還須深入的理論模擬和模型試驗研究，這對于復雜環境下的實際基坑工程有著關鍵作用。

圖8 車站底板臨界深度變形曲線

4 結論

(1)監測數據與數值模擬結果說明地下結構對基坑開挖過程中的土體位移場起阻斷和遮攔作用，會導致地下結構背向基坑傾斜。

(2)數值模擬計算結果表明，存在一個臨界深度，基坑開挖至此深度時位移場發生突變，地下結構由背向基坑傾斜轉變為面向基坑傾斜。