蘇州某地鐵基坑工程變形監測與數值模擬分析

錢洋新 劉優平 李雨希 張恭平

（南昌工程學院土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099）

0 引言

隨著經濟的飛速發展，越來越多的城市為了能夠滿足人們的出行需求以及適應經濟的快速發展，都在不斷地開展地鐵建設。地鐵一般都是建在城市人口流量較多以及對整個城市經濟發展非常重要的地方，工期也十分緊迫。并且基坑工程也涉及力學、地質學、施工以及監測等各個領域，是一個綜合性非常強的學科[1]。要保障地鐵基坑工程施工的安全，對其進行施工監測是非常有必要的。國內在基坑的監測上做了不少的研究，曹浪[2]等用數值模擬的方法對超深基坑進行分析，研究了預加固技術和后加固技術對基坑變形的影響，為后續超深基坑工程提供了參考。金生吉[3]等通過埋設傳感器元件對超深基坑進行實時監測，對所得到的數據結果進行了詳細的分析。楊睿[4]等為研究基坑對周圍環境的影響，對西安某地鐵基坑工程進行監測分析。任俊勇[5]通過有限元軟件對基坑整個施工過程進行了模擬，分析各個施工階段的變形機理。宋詩文[6]通過優化基坑支護形式，與設計的施工方案進行對比，并進行施工監測，給出優化施工方案。所以針對基坑所需要進行監測的內容要加以分析，并對其相應的變形規律給出需要改進的方案以及建議，才能夠保障基坑安全的施工[7-10]。綜上所述，對地鐵基坑的開挖施工建設進行監測是非常有必要的，可以通過對數據的監測分析來指導施工，確保工程的安全性。

本文結合蘇州某地鐵站的基坑工程，對實際監測數據進行整理，繪制出了變形圖，并對其變化情況加以分析，同時用有限元軟件對其進行施工模擬，將模擬結果與實際監測結果進行比較，對該基坑工程的安全性進行分析，為其施工建設提供經驗參考。

1 工程概況

該地鐵站位于蘇州市。它的長度為209 m，標準段寬度為19.1 m，站臺寬度11 m，采用兩層單柱雙跨框架結構。有效站臺中心里程處底板埋深約為11.64 m，車站采用明挖順作法施工。整個基坑采用地下連續墻、角板撐、砼支撐及鋼支撐的圍護形式，圍護結構第一道支撐采用截面尺寸為600 mm×600 mm 的砼支撐，冠梁截面尺寸為800 mm×800 mm；冠梁、砼支撐均采用C30 混凝土，擋土墻厚為800 mm，第二道支撐為鋼支撐。

本項目工程監測等級的劃分主要依據GB50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》來實施[11]。其圍護結構部分監測點布置如圖1 所示。

圖1 基坑圍護結構部分監測點圖

3 有限元模型建立

3.1 模型的材料參數選取

根據詳細的地勘資料分析，將該項目的土層從上而下分為6 層，均采用修正莫爾庫倫模型類型，其詳細的土層參數如表1 所示。

表1 各土層主要的物理力學性質

混凝土支撐梁、鋼支撐梁、冠梁及圍檁所用的材料均選擇彈性本構模型。其物理力學參數如表2 所示。

表2 圍護結構材料物理力學性質

2.2 有限元模型的建立

本項目采用巖土專用有限元軟件Midas GTS NX，考慮基坑開挖對周圍土體的影響范圍，將模型的邊界寬度設置為2.5 倍的基坑開挖深度，模型的整體大小為270 m×80 m×32 m，土體及其地下連續墻采用實體單元，根據各土層的參數以及結構的物理力學性質，為使該模型在建立過程中不出現自由面，能夠得到耦合，用有限元軟件的混合網格生成器進行網格劃分，共生成節點53 118 個，單元73 135 個，其有限元模型及圍護結構模型如圖2 所示。

圖2 車站及其圍護結構有限元模型

3 模擬方案及其結果分析

3.1 施工過程模擬分析

根據該車站的施工步驟情況，將該模型進行施工模擬，地鐵基坑開挖深度為12 m，共采取5 個施工工況步驟。具體參數如表3 所示。

表3 工況步驟

3.2 圍護結構深層水平位移分析

圖3 為測點ZQT16 圍護墻體通過模擬與實際監測得出來的變形曲線圖，通過該圖可以得知，其地下連續墻的深層水平位移的模擬曲線與實測曲線不一樣，但其變化趨勢是一致的，這就表明了使用有限元軟件的數值模擬方法在反映實際地鐵基坑施工中的情況，具有一定的參考性，設計的圍護結構的深層水平位移最大的數值分別是8.3 mm 和9.7 mm，分別是實際基坑開挖深度的0.069%和0.08%，都低于實際設計的最大安全容許位移數值30 mm，二者均滿足了安全的要求。模擬曲線和實際曲線的最大水平位移深度值大約是9 m，均在實際開挖深度的2/3 左右。在開挖的整個過程中，整個圍護墻都向基坑內測發生水平位移，且位移曲線是中間大兩頭小的特征，屬于是“弓”形的變形趨勢。

3.3 周邊地表沉降分析

周邊地表沉降分析選擇標準段的中間測點DBC16 進行分析，通過其模擬結果得出的變化趨勢與實際監測結果變化圖如圖4 所示。

圖4 長邊中部測點DBC16 周邊地表沉降位移

根據圖形顯示可知，在基坑的開挖初期時，其圍護結構的周邊地表沉降量較小，隨著基坑的深度開挖，周邊地表的沉降呈現“三角形”的變形趨勢，并且其最大沉降量的位置隨著基坑的施工進行離基坑也越來越遠，當達到最大值時，它的沉降數值才慢慢變小。同時通過變化曲線可知，兩種方式所得出的結果顯示變化趨勢大致一樣，其最大的沉降量分別為4.3 mm、5.5 mm，分別占開挖深度的0.036%和0.046%，都低于容許最大變化值30 mm，在距離基坑8.5 m 左右，其地表的沉降值達到最大。同時通過變化曲線可知，距離基坑邊緣大致0～20 m（1.6H）左右，其周邊地表沉降為受基坑開挖的主要影響區，超過30 m 的范圍地表沉降受基坑開挖的影響較小。所以，整個施工過程中，在保證安全以及質量的前提下，工期不宜過長，要時刻監測地表的沉降變化，避免造成施工事故。

4 結語

該文通過使用有限元軟件Midas GTS NX 對蘇州某地鐵站點基坑進行了施工模擬，對該站基坑的圍護結構變化進行了模擬分析，并與工程實際結果進行了對比分析，得到如下結果：

（1）通過有限元得出的模擬結果與實際監測所得出的結果其變形趨勢大致相同，說明通過有限元模擬來反應基坑施工的變化，有一定的參考價值，并且指導了該基坑的施工。

（2）在基坑開挖的過程中，其圍護結構的墻體深層水平位移呈現“弓”形的特征，在基坑開挖深度的2/3 處左右，其變形位移最大。

（3）在基坑開挖的過程中，其周邊地表的沉降呈現“三角形”的變化趨勢，并且在距基坑大致8.5 m 的距離，它的沉降量達到最大。

（4）基坑的標準段長邊中點所受的彎矩最大，并且容易受施工車輛的荷載、天氣，施工工期的影響，所以應特別注意此處圍護結構的變形以及地表沉降的變化情況，確保其安全性。