紹興地鐵一號線深基坑開挖過程數值分析

陳曉鵬， 陳士軍， 吳 烈， 李棟偉, b， 鹿慶蕊, b， 蔣瀟伊

(1. 東華理工大學 a. 土木與建筑工程學院， b. 核資源與環境國家重點實驗室， 江西南昌 330013； 2. 核工業青島工程勘察院， 山東青島 266041)

當前地上空間已難以滿足我國城市化進程快速增長的用地需求，地下空間的開發和利用在工程界越來越受到重視。我國中東部主要城市人口密度較大，地上空間有限，因此城市地下空間的合理開發極為迫切[1-5]。為了應對以上問題，我國一些發達城市開通了多條地鐵線路。截至2020年10月，僅上海市就已開通20條地鐵線路，其中地鐵17號線延申至浙江省嘉興市的項目于2021年前動工，基坑工程逐步向超深、超大的方向發展。地鐵項目一般處于城市中心，大部分基坑開挖也處于城市建筑物密度較高之處，絕大多數基坑不滿足放坡開挖的條件，需要采用深基坑開挖的方式進行，因此在基坑開挖過程中，地下連續墻的水平位移、周邊土體沉降、鋼支撐軸力監測等成為近5 a地下空間工程中的一個熱點問題。深基坑施工邊界條件過于復雜，一般很難通過解析法求解基坑支護結構在施工過程中的變形及周邊土體的沉降，數值分析法為此提供了有利的解決方法[6-9]。文獻[10-18]中通過分析近10 a我國各城市建設的基坑的實測結果，得到了基坑圍護結構的變形規律和周邊地表沉降的規律，發現長寬比較大的基坑發生較大變形的位置一般在基坑長邊中點及標準段端部位置。朱彥鵬等[19]對現場監測數據進行分析和數值模擬，結果表明，當基坑開始開挖時，樁頂水平位移較大，沿樁身呈前傾型分布；隨著基坑逐漸向下開挖，位移較大部位不斷下移；鋼管內支撐施工后，支護樁的水平位移曲線呈弓型分布，最大值位于距離坑底基坑開挖深度的1/2～1/3處。霍潤科等[20]對某地鐵車站基坑的監測數據進行分析和數值模擬，發現在基坑開挖初始階段，鋼支撐軸力增長較快，隨著開挖接近完成，軸力也趨于穩定；相對于混凝土支撐，鋼支撐在開挖開始階段軸力呈現二次曲線增加，增加到一定數值后才開始趨于平穩。

本文中以浙江省紹興市地鐵一號線塔山站工程為背景，基于現場監測數據，利用有限元分析軟件ABAQUS模擬基坑開挖及支護過程中各支護結構及周邊土體的變形和位移變化規律，并進行對比分析。

1 工程概況

1.1 基坑

紹興地鐵一號線塔山站基坑長度為208.9 m，基坑標準段寬度為19.7 m，深度為16.88～17.3 m；盾構井加寬段寬度為26.3 m，深度為18.3～18.7 m。車站使用地下連續墻、混凝土支撐及鋼支撐的圍護形式，地下連續墻厚度為800 mm，整個施工過程中自上而下設置5層鋼支撐，第1層采用C30鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×700 mm(長度×寬度)，其余4層采用直徑與壁厚分別為609、 16 mm的鋼(一級鋼)支撐， 其中基坑端部4個角采用斜支撐。 基坑標準段支護結構剖面圖如圖1(a)所示。 標準段混凝土支撐間隔為9 m， 非標準段間隔為7.5 m。 4層鋼支撐布設一致，基坑標準段支護結構平面布置圖如圖1(b)所示。

(a)剖面圖(單位為mm)

(b)平面布置圖(單位為m)圖1 基坑標準段支護結構剖面圖與平面布置圖

1.2 工程地質條件

基坑區域下覆土層依次為碎石填土、淤泥質黏土、粉質黏土、全風化凝灰巖。基坑開挖過程中揭露土層以淤泥質黏土和粉質黏土為主。根據室內試驗結果及勘查經驗，淤泥質黏土含少量有機質、腐殖質，有臭味，局部相變為淤泥，為高壓縮性土，局部孔段夾雜少量粉土薄層。粉質黏土為軟可塑，含少量的鐵錳質結核及銹斑。根據地勘報告和現場的室內試驗，得到主要土層的物理力學參數，如表1所示。

2 有限元分析

2.1 數值建模

以實際基坑尺寸建立三維有限元模型，模型尺寸(長度×寬度×深度)為350 m×150 m×60 m。土體和地下連續墻采用實體單元建模，如圖2所示。支撐采用梁單元建模，實體單元網格類型為三維六節點實體單元C3D8R，支撐為梁單元B31，在保證精度的同時，對地下連續墻附近單元進行加密，距離基坑越遠，則網格越少，計算越快。土體與墻體間的接觸類型為接觸模型，切向為罰函數，法向為硬接觸。在接觸面創建過程中，按照不同土層分別創建接觸面，其中墻體的內表面與外表面設為主面，墻內土體及外部土體的表面為從面[21]。地下連續墻與支撐體系之間選用綁定接觸。由于基坑周邊無其他工程施工以及大型建筑，因此在計算中主要考慮地表交通荷載。

表1 主要土層的物理力學參數

圖2 土體和地下連續墻實體單元建模

2.2 計算參數

整個模型中土體均采用摩爾-庫倫理想彈塑性模型。地下連續墻和支撐均選用彈性模型，彈性模量分別為30、 209 GPa，支撐為梁單元。劃分后的土層參數如表1所示。

2.3 計算步驟

模擬計算過程按照施工工況進行分析步設計，主要步驟如下： 1)平衡初始地應力場； 2)開挖5層土體，并安裝4層鋼支撐，其中開挖5層土體的厚度均為3 m。

2.4 計算結果

2.4.1 地下連續墻水平位移

圖3所示為基坑開挖完第1、 5層土體后的地下連續墻水平位移云圖。從圖中可以看出，地下連續墻最大水平位移點的位置逐步下移。每次開挖完和架設支撐后，不同工況時地下連續墻水平位移計算值如圖4所示。按照施工順序，共分為9個工況：工況1為開挖第1層土體，工況2為架設第1層鋼支撐，其他7個工況以此類推。挖完最后1層土體后不架設鋼支撐。從圖4中可以看出，在工況1— 9中， 地下連續墻的最大水平位移發生點均在基坑長邊中點范圍內， 并且隨著基坑開挖深度的逐漸增大， 地下連續墻最大水平位移也逐漸增大， 同時， 地下連續墻最大水平位移發生點也逐步下移。 從圖4中還可以看出， 當開挖結束后， 中點處的最大水平位移為13.1 mm， 標準段端部斷面的最大水平位移為11.5 mm， 長邊中點斷面處出現最大水平位移的位置在距離墻頂15.6 m處。 出現該結果的主要原因是長邊中點位置承受了最大彎矩值。

(a)完成第1層土體開挖

(b)完成第5層土體開挖圖3 基坑開挖完第1、 5層土體后的地下連續墻水平位移云圖

2.4.2 基坑周邊土體沉降

圖5所示為不同工況時土體沉降計算值與基坑距離的關系。 由圖可知， 整個基坑周邊發生最大沉降的位置在基坑長邊中點處， 最大沉降的位置向兩端逐漸減小。 隨著基坑開挖深度的增大， 產生的沉降對基坑周邊土體的影響范圍逐漸增大， 直至開挖結束時， 基坑長邊中點斷面處沉降最大值為9.00 mm， 標準段端部斷面處沉降最大值為5.40 mm， 均發生在距基坑邊緣6.75 mm處； 周邊土體沉降影響范圍約為40 m， 主要影響范圍約為20 m。

(a)長邊中點斷面處(b)標準段端部斷面圖4 不同工況時地下連續墻水平位移計算值

(a)長邊中點斷面處(b)標準段端部斷面處圖5 不同工況時土體沉降計算值與基坑距離的關系

2.4.3 鋼支撐軸力

數值模擬計算結果表明，每層鋼支撐和每個工況的鋼支撐軸力峰值均發生在開挖完成后；當第5層土體結束開挖后，4層鋼支撐軸力峰值較大的是第1、 4層， 2、 3層峰值次之[21]。

3 監測方案及數據

3.1 監測斷面布設

監測內容包括地下連續墻水平位移測量、基坑外地下水位、鋼支撐軸力、管線測量、基坑周邊土體地表沉降、附件建筑物測量等。地下連續墻上共布設26個測斜孔(編號為ZQT1， ZQT2， …， ZQT26)，以及2個土體測斜孔；土體地表沉降布設5個監測點，與基坑邊緣的距離依次為1、 5、 9、 20、 35 m(5個點對應的基坑長邊中點斷面處地表沉降編號為DBC6-1， DBC6-2， …， DBC6-5；標準段端部斷面處地表沉降編號為DBC2-1， DBC2-2， …， DBC2-5)。整個基坑周邊土體沉降測量點共布設67個。鋼支撐軸力布設共設置12組監測斷面(編號為ZCL1， ZCL2， …， ZCL12)，每層監測斷面有4層鋼支撐，以長邊中點斷面處第7個軸力斷面處鋼支撐軸力為例，自上而下4層鋼支撐編號分別為ZCL7-1、 ZCL7-2、 ZCL7-3、 ZCL7-4。

3.2 地下連續墻測斜數據

圖6所示為不同工況時測斜孔ZQT7、 ZQT3監測斷面的地下連續墻水平位移實測值。由圖可知，地下連續墻的水平位移隨著基坑開挖深度的增大而逐漸增大，當最后1層土體開挖結束后，整個基坑墻體的最大水平位移發生在基坑長邊中點處，最大位移達到14.0 mm，發生最大位移的位置在距離基坑頂部14.5 m處；同時標準段端部斷面處的墻體最大水平位移為11.5 mm，發生最大位移的位置在距離基坑頂部15.0 m處。

3.3 周邊土體沉降

圖7所示為不同工況時周邊土體沉降實測值。由圖可知：在整個基坑開挖過程中，當工況1— 4結束后，基坑周邊土體的沉降較小；當工況6結束后沉降開始顯著增大； 當工況9結束后， 即開挖結束時，產生沉降最大。 長邊中點斷面處的最大沉降發生在監測斷面地表沉降DBC6-3處， 沉降值為12.9 mm， 該監測斷面距離基坑邊緣距離為9.0 m；在標準段端部斷面處最大沉降發生在監測斷面地表沉降DBC2-3處，沉降值為7.5 mm，該監測斷面距離基坑邊緣8.5 m。工況6結束后沉降開始顯著增大的主要原因是隨著開挖深度的增大，大量地下水被抽離。

(a)長邊中點斷面處測斜孔ZQT7監測斷面(b)標準段端部斷面處測斜孔ZQT3監測斷面圖6 不同工況時測斜孔ZQT7、 ZQT3監測斷面的地下連續墻水平位移實測值

(a)長邊中點斷面處(b)標準段端部斷面處圖7 不同工況時周邊土體沉降實測值

3.4 鋼支撐軸力

以長邊中點斷面處監測斷面ZCL7為中心， 左、 右各取2個監測斷面的鋼支撐， 編號分別為監測斷面ZCL5、 ZCL6、 ZCL8、 ZCL9， 長邊中點斷面處監測斷面ZCL5， ZCL6， …， ZCL9各層鋼支撐軸力實測值如圖8所示。 由圖可知， 鋼支撐軸力5個監測斷面ZCL5， ZCL6， …， ZCL9每層的鋼支撐軸力最大值均出現在ZCL7處。 鋼支撐軸力監測斷面ZCL7處第1層鋼支撐軸力最大， 第3層鋼支撐軸力最小。 圖9所示為長邊中點斷面處不同工況時監測斷面ZCL7各層鋼支撐軸力實測值。 從圖中可以看出，每次開挖后，上一層的鋼支撐軸力顯著增大，而當開挖完成后，下一層鋼支撐安裝上并且受力后，上一層鋼支撐軸力減小。從圖中還可以看出，長邊中點斷面處鋼支撐ZCL7-1在工況2— 9時對應的軸力分別為425、 680、 520、 880、 760、 890、 562、 750 kN。 工況3的軸力是工況2的1.6倍， 工況5的軸力是工況4的1.7倍， 工況7的軸力比工況6的增大1.2倍， 工況9軸力的比工況8的增大1.4倍。 由此可知， 在設計中應較多考慮這種因開挖和加鋼支撐導致軸力產生較大突變而導致的安全隱患， 同時現場監測應著重考慮開挖每層土體時布設1層鋼筋過程中鋼支撐軸力的變化。

圖8 長邊中點斷面處監測斷面ZCL5， ZCL6， …， ZCL9各層鋼支撐軸力實測值

ZCL7-1、 ZCL7-2、 ZCL7-3、 ZCL7-4—長邊中點斷面處 第7個軸力斷面處第1、 2、 3、 4層鋼支撐編號。圖9 長邊中點斷面處不同工況時監測斷面 ZCL7各層鋼支撐軸力實測值

4 有限元結果與監測數據對比分析

4.1 地下連續墻水平位移

地下連續墻的水平位移計算值與實測值對比如圖10所示。由圖可知，根據計算值得到的地下連續墻變形規律和根據實測值得到的地下連續墻變形規律基本相同， 長邊中點斷面處測斜孔ZQT7監測斷面、 標準段端部斷面處測斜孔ZQT3監測斷面處地下連續墻水平位移與實測值的差值為0.9、 1 m， 占實測值的比例為7%、 9%， 平均誤差為實測值的8%， 數值相差較小， 進而說明了建模和土體參數的合理性， 整體模擬精度更高。長邊中點斷面處的工況2—5以及標準段端部斷面處工況6— 9變形較大的主要原因是施工現場長時間降雨導致該工況時間跨度較大，從而使得變形量增加。實測值和計算值得到的地下連續墻最大水平位移的位置為距離墻頂0.62H、 0.65H處，其中H為地下連續墻深度。由此可知，在現場監測應密切關注開挖面附近地下連續墻水平位移的變化，特殊情況下應進行加密監測，確保圍護結構水平位移變化速率在規范允許范圍內。

(a)長邊中點斷面處測斜孔ZQT7監測斷面(b)標準段端部斷面處測斜孔ZQT3監測斷面圖10 地下連續墻的水平位移計算值與實測值對比

4.2 周邊土體沉降

圖11所示為周邊土體沉降計算值與實測值對比。 從圖中可以看出， 實測值沉降在基坑長邊中點斷面處和標準段端部斷面處發生的最大沉降位置分別為距離基坑9、 8.5 m處， 沉降值分別為12.9、 7.5 mm， 但是該位置并不一定是精確位置， 主要原因是監測斷面僅有5個， 密度較小， 但是根據現場布點可以給出沉降范圍， 即5～9 m， 該結果與利用有限元計算得到的結果較一致， 即計算的最大沉降點位于基坑6.75 m處， 并且計算得到的沉降結果趨勢與實測值也較一致， 因此通過有限元模擬能夠較全面地反映基坑開挖周邊土體沉降的變形規律。 從圖中還可以看出， 長邊中點斷面處和標準段端部斷面處沉降值相對于計算值存在較大的誤差， 產生該結果的主要原因如下： 1)數值模擬所建的土體是摩爾-庫倫理想彈塑性模型， 該模型的實質是線彈型與摩爾-庫倫損壞準則的結合， 能夠描述土體塑性的變形，進而反映土體破壞的行為； 但是在達到破壞前， 應力-應變關系始終是彈性的， 因此該模型在非線性變形過程中存在局限。 2)在現場施工過程中， 天氣原因使得存在降水過多和地下水抽離不及時的情況， 導致基坑外部土體的地下水位發生明顯變化， 進而導致土體沉降明顯變化。 3)在現場施工中存在很多不可控因素， 并且施工現場材料進場導致外部臨時荷載增大， 而上述情況在模擬過程中未能完全考慮， 也導致實測值相對于計算值存在較大的誤差。

(a)長邊中點斷面處(b)標準段端部斷面處圖11 周邊土體沉降計算值與實測值對比

4.3 鋼支撐軸力

數值模擬計算得到的鋼支撐軸力及變形趨勢與實測值較吻合，在數值大小方面存在一定差異。主要原因是在模擬基坑開挖時設置開挖方式為整體開挖，即開挖每層土體時都進行整個基坑的開挖，但是在現場施工中，鋼支撐安裝時間以及開挖時間、方式等因素均對實測軸力值產生較大影響。在整體趨勢上，計算值與實測值基本吻合。當開挖下一層土體時，鋼支撐軸力會在短時間內增大，而當下一層鋼支撐安裝完成并受力后，上一層鋼支撐軸力明顯減小，整個開挖過程中的軸力曲線均呈現折線形，存在明顯的波峰和波谷。在整個基坑開挖過程中，4層鋼支撐中第1層鋼支撐軸力實測值相對于其他3層的整體較大，在鋼支撐ZCL7-1處出現最大軸力，即長邊中點處。同時，在開挖第5層土體后，無鋼支撐結構導致第4層鋼支撐軸力顯著增大，該結果在圖9中也有所表現。

5 結論

本文中以紹興地鐵一號線基坑施工過程中的現場監測數據為依據，結合數值模擬進行對比，得到以下主要結論：

1)在基坑開挖過程中，土體使用摩爾-庫倫理想彈塑性模型時，發現地下連續墻水平位移變化相對于實測值較準確，在長邊中點斷面處和標準段端部斷面處，平均計算值誤差約為實測值的8%。地下連續墻發生最大位移的位置約為0.65H，與根據實測值得到的位置0.62H高度吻合。

2)基坑周邊土體沉降的計算值與實測值的變化規律較一致， 但是在數值上計算值相對實測值偏小， 存在較大的誤差。 主要原因在于數值模擬具有一定的局限性， 而且模擬的環境與現場施工有所不同。

3)對于深度和長寬比較大的基坑，地下連續墻的變形呈現長邊中點斷面處和端部斷面處較大，因此在工程設計時應對這2個位置單獨考慮，設置合理的報警值；在現場監測時，如果該斷面存在施工行為，則必須進行加密監測，確保現場施工安全。

4)實測值和計算值均顯示，在基坑開挖期間，開挖每層土體時上一層鋼支撐軸力會顯著增大，因此在設計中應重點考慮這種短時間突變對鋼支撐安全儲備的影響，在監測過程中應密切監測此過程中鋼支撐軸力的變化。