地铁深基坑分区开挖监测及数值模拟

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(1.合肥工业大学a.土木与水利工程学院；b.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，合肥 230009； 2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097)

地铁深基坑分区开挖监测及数值模拟

谢沃1a,2，卢坤林1a,1b，朱大勇1a,1b

(1.合肥工业大学a.土木与水利工程学院；b.土木工程结构与材料安徽省重点实验室，合肥 230009； 2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097)

2017,34(12):106-110，121

对于狭长的地铁车站深基坑，围护结构区域内岩土体在实际施工时经常采用分区的方式进行开挖。为了分析分区开挖工况下深基坑的稳定性规律，选取合肥市某地铁车站深基坑作为研究对象，运用有限差分软件对实际工程进行数值模拟。比较模型计算结果与现场实测结果，得到了基坑分区开挖过程中围护结构侧向位移、横向支撑轴力,以及地表沉降的变化规律。研究结果表明：现场实测结果与数值模拟结果较为接近且均小于规范限值，数值模型能较好地反映基坑变形特性；随着开挖的进行，围护结构变形出现明显的“鼓肚”状，最大侧向位移点向基坑中段移动；支撑轴力前期发展较快，之后趋于平稳；邻近地表沉降呈现为凹槽状，基坑开挖影响范围约在40 m内。研究结果可为其他类似工程设计或施工决策提供参考。

地铁车站；深基坑；分区开挖；变形监测；数值模拟

1 研究背景

随着我国城市的不断发展，地下空间不断被开发利用，其过程中出现了大量的深基坑工程[1-3]。尤其在地铁建设领域，每个地铁车站的建设必然涉及深基坑工程。地铁车站深基坑工程具有较强的综合性和区域性,并且土压力及变形是一个较为复杂的动态变化过程，每一个工况阶段前均已存在一定的应力和位移。因此，运用解析的方法来实现基坑稳定性问题的求解一般较难实现。Lambe曾指出通过工程经验或数值分析可以较为有效地解决这类问题[4]。工程经验法具有较强的主观性且缺乏一定的理论基础，并不能满足较高的安全要求和环境保护要求,而数值分析的方法能够较为便捷准确地实现这类问题的求解[5-8]。

有许多的学者进行过深基坑稳定性数值模拟分析[9-11]，但是在模拟开挖基坑内部土体时，多是以分层的方式逐步进行。地铁车站深基坑常处于繁忙交通地带，长宽比一般较大，对围护结构内部岩土体较难以整体分层方式进行开挖。实际施工中顺着车站走向进行分区开挖是较常见的开挖方式。由于基坑开挖存在着较强的空间效应[12]，这类分区开挖的方式与整体分层开挖方式必然存在较大差异。

本文依托合肥市在建的望江西路地铁车站深基坑工程，运用大型有限差分软件FLAC3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)对实际工程进行了开挖支护数值模拟。依据实测数据结果和数值计算结果，分析该类分区开挖工况下深基坑稳定性变化规律。

2 工程概况

合肥市望江西路地铁车站位于潜山路与望江西路交叉口，交通繁忙且周边建筑物密集。车站沿南北向布设，南北端头井的主体结构采用地下2层双柱三跨钢筋混凝土框架结构，车站标准段的主体结构为地下2层单柱双跨钢筋混凝土框架结构。车站主体总长度489.8 m，标准段总宽度22.7 m，基坑平均深度19 m，开挖面积约11 200 m2。主体围护结构采用D800@1 000 mm钻孔灌注桩，支护桩间采用100 mm厚挂网喷射混凝土。基坑支撑系统共设置3道横向支撑，第1道为800 mm×900 mm钢筋混凝土支撑，第2、第3道为Ф609 mm，壁厚t=16 mm钢支撑。南侧端头井及相邻的标准段总长度46 m段开挖方式为由南向北分区开挖。

本工程对基坑开挖支护全过程进行实时监测，监测内容包括围护桩变形、支撑轴力变化,以及邻近地表的沉降。依据城市轨道交通工程监测规范[13]，监测点布置如图 1。其中，围护桩变形监测(测斜)共设置9个监测点(CX1—CX9)；支撑结构共设置12个轴力监测点(第1道支撑ZCL1-1—ZCL4-1，第2道支撑ZCL1-2—ZCL4-2，第3道支撑ZCL1-3—ZCL4-3，共3层)；基坑外地表沉降共设置9排垂直于基坑断面监测点(DBC1—DBC9)，每个监测断面布设7个监测点。

图1基坑监测点平面分布

Fig.1Planedistributionofmonitoringpointsinfoundationpit

3 计算方法

3.1 模型建立

依据城市轨道交通工程监测规范[13]中基坑开挖影响范围，并考虑基坑平面规模和基坑长宽比的影响，拟定模型的尺寸为106 m×188 m×39 m(x×y×z)。土体及地下连续墙单元均采用六面块体网格模型，混凝土支撑和钢支撑采用梁单元(beam)模拟。地下连续墙实体单元与支撑构件梁单元间采用Node-Zone进行连接。岩土体采用摩尔-库伦弹塑性模型，支护结构和支撑构件为线弹性模型。在邻近基坑0.7H(H为基坑开挖深度)范围内网格加密，离基坑越远网格越稀疏。模型共计33 579个结点，划分为30 360个网格单元，建立模型如图2所示。

图2计算模型

Fig.2Modelofcomputation

3.2 模型参数

根据勘察资料及设计施工图纸，确定建立模型所需的各项参数如下。

(1)钢筋混凝土支撑：弹性模量为3.2×1010Pa；泊松比为0.167；截面面积为7.2×10-1m2。

(2)钢支撑：弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.3，截面面积为2.981×10-2m2。

(3)地下连续墙：密度为2 500 kg/m3；弹性模量为4×1010Pa；泊松比为0.167。其中地下连续墙为钻孔桩根据抗弯刚度相等原则折算而来，厚度为0.8 m。

(4)接触面：岩土体与地下连续墙接触面采用无厚度的接触面模型。法向刚度及切向刚度均为3.4×109N/m，黏聚力及内摩擦角取值为支护桩所处地层的0.8[14]。

(5)工程所处地层自上而下分别为素填土、黏土、全风化泥质砂岩、强风化泥质砂岩、中风化泥质砂岩，各地层厚度及物理参数如表 1 所示。车站建设区域内无地表河流、沟渠，地下水总体发育不完整，径流形式主要为孔隙间渗流。因此建立的计算模型未考虑渗流影响。

表1 各层土的物理力学参数

3.3 模拟工况

结合现场实际，模型共设置9个施工步骤。结合图3，按A—J区顺序依次开挖土体和架设支撑，具体开挖工况见表2。模型中监测点位置与图1中实测点位置一致。

图3分区开挖简图

Fig.3Schematicdiagramofpartitionexcavation

4 结果及分析

4.1 围护结构变形分析

图4为第3步、第6步、第9步开挖完成时围护结构变形云图，图5为各个开挖步骤完成时CX1—CX4监测点最大侧向位移分布。分析数值模拟结果可知，第3步开挖完成时，最深开挖了6.2 m，地下连续墙东西两侧变形较小，变形最大位于端头井和标准段衔接处。第6步开挖完成时，最大开挖深度将近16 m，4轴开挖区域也达到3.5 m；地下连续墙变形增大，最大变形区域靠近3轴左侧，最大变形为10.20 mm。当基坑全部开挖完成时，地下连续墙东西两侧变形达到最大，最大区域位于基坑最右侧区域,最大变形达到26.36 mm，未超过规范限值30 mm[13]。由图5可知，开挖前期围护结构变形集中在基坑端部；随着工况的进行，围护结构变形越来越大，地下连续墙最大变形区域向基坑中段移动；整体变形最终呈现为中段大，边角小。

表2 基坑分区式开挖工况

(a)第3步开挖

(b)第6步开挖

(c)第9步开挖

图4围护结构变形云图

Fig.4Deformationnephogramofretainingstructure

图5围护桩最大侧向位移分布

Fig.5Distributionofmaximumlateraldisplacementofretainingpile

在实测结果中，选取变形较大的CX4围护桩监测点分析围护桩变形，如图6所示。由图6可知：前期开挖位于基坑南部区域，围护桩变形较小；随着开挖工况的进行，围护桩中部变形越来越明显；开挖完成时，整体变形呈现为两端小，中间大的“鼓肚”形状。最大侧向位移虽达到28.43 mm, 但未超过规范限值30 mm[13]。

图6围护桩实测变形曲线

Fig.6Measureddeformationcurvesofretainingpile

比较围护结构(CX2监测点)侧向变形的模拟结果与实测结果(图7)，围护结构变形趋势较为吻合，最大变形较为接近。说明围护结构变形模拟结果能较好地反映工程实际。

图7围护结构变形实测值与计算值比较

Fig.7Comparisonbetweenmeasuredvaluesandcalculatedvaluesofdeformationofretainingstructure

4.2 支撑轴力分析

混凝土支撑最先浇筑完成，随着分区开挖深度的增加，各区钢支撑逐步架设，各支撑轴力变化曲线如图8所示。由图8可知：混凝土支撑监测点中，ZCL1-1轴力最大，峰值达到4 868 kN；钢支撑轴力监测点中，ZCL2-2轴力最大，峰值达到2 156.7 kN。混凝土支撑和钢支撑实测轴力均小于规范限值5 000 kN和3 000 kN[13]。各道支撑虽然架设时间存在先后差异，但轴力发展趋势较为相似，均为前期增长较快，之后波动趋于平稳。其中混凝土支撑轴力波动较为明显。这是由于实际施工存在不连续性，引起土体与支护结构反复作用的结果。而采用分区开挖致使基坑内部的土体分布不对称也会使支撑轴力产生一定的波动。

(a)混凝土支撑轴力变化曲线

(b)钢支撑轴力变化曲线

图8支撑轴力变化曲线

Fig.8Curvesofaxialforceofdifferentsupports

分析基坑各层支撑轴力分布可知，南端先开挖区架设的支撑(ZCL1-1,ZCL1-2,ZCL2-1,ZCL2-2)轴力较大,而北部后开挖区架设的支撑(ZCL3-2,ZCL3-3,ZCL4-2,ZCL4-3)轴力较小，均<1 000 kN。这是由于最初开挖阶段集中在基坑端头，较大部分土压力由端部支撑承担；随着各道支撑逐步架设，支护结构邻近土逐渐达到稳定，后架设的钢支撑轴力承担的支撑轴力减小。

4.3 邻近地表沉降分析

图9为DBC2监测断面地表的累计沉降曲线。分析模型计算结果可以看出，随着基坑逐步开挖，地表沉降越来越大。断面沉降最大值出现在距离基坑约9 m附近，达到-16.63 mm。在距基坑约<9 m范围内，距离基坑越远，沉降越大，距离基坑>9 m，距离基坑越远沉降逐渐减小，曲线总体近似于“勺形”。

图9垂直于基坑断面地表沉降曲线

Fig.9Surfacesettlementcurvesofverticalfoundationpit

图10为DBC2和DBC4断面沉降监测点实测值与计算值的比较。由图10可知，通过数值计算所求得的坑外地表沉降与实测值基本吻合。

图10地表沉降实测值与计算值比较

Fig.10Comparisonbetweenmeasuredvaluesandcalculatedvaluesofgroundsettlement

图11为基坑邻近土体整体变形云图，结合图9和图10可知，邻近土体变形主要集中在基坑周围40 m范围内；当超过40 m范围时地表沉降较小，对周边环境的影响可以忽略。模型计算结果影响范围接近于基坑监测规范[13]，主要影响区域为13.3 m(0.7H)，次要影响区域为38 m(2H)。结果表明，基坑开挖影响范围较小，均在安全控制的范围；但是若存在建筑物在影响范围之内，则须采取必要措施避免由于地表不均匀沉降而危及建筑物的安全。

图11基坑整体变形云图

Fig.11Deformationoftheoverallfoundationpit

5 结 论

(1)随着分区开挖深度的增加及向前推移，支护桩侧向位移逐渐增大，最终呈现为两端小、中间大的变形趋势。基坑开挖完成且变形稳定后，位于基坑中段处的支护桩变形比边角处大。

(2)横向支撑轴力发展前期增长较快，之后逐步趋于稳定。轴力分布为先开挖区支撑轴力较大，后开挖区支撑轴力较小。

(3)随着基坑开挖工况的进行，邻近土体地表沉降逐步增大，之后逐步趋于平稳。沉降从基坑边向外逐渐增大，然后又逐渐减小，呈现为明显的“勺形”凹槽。

(4)数值计算结果与实测结果较为吻合，且均在规范限值范围内，能较为全面地反映基坑的变形特性，可以为其他类似工程设计或施工决策提供参考。

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Partition Excavation of a Subway Deep Foundation Pit:Monitoring and Numerical Simulation

XIE Wo1,2，LU Kun-lin1,3，ZHU Da-yong1,3

(1.School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.China Highway Engineering Consulting Group Company Ltd., Beijing 100097, China; 3. Anhui Key Laboratory of Structure and Materials in Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

In practical engineering, rock mass in the long and narrow deep foundation pit of subway station is usually excavated in partitions. To obtain the stability rules of deep foundation pit excavated in partitions, finite difference software was adopted for numerical simulation. The deep foundation pit of a subway station in Hefei was taken as a case study. Through comparison between model results and field measurement results, the variation rules of retaining structure’s lateral displacement and lateral support axial force and ground surface settlement during partition excavation were obtained. Results show that 1)field measurement results are in agreement with numerical simulation results, both within standard limits, indicating that the numerical model could well reflect the deformation characteristics of the foundation pit; 2) with the proceeding of excavation, the “belly” of retaining structure bulged apparently, with the maximum displacement point moving towards the middle of the foundation pit; 3) axial force of support developed rapidly in the early stage, and then tended to be stable; 4) the adjacent ground surface settlement was in a groove shape, and the range within 40 m was affected by foundation pit excavation. The results could be taken as reference for the design and construction of similar projects.

subway station; deep foundation pit; partition excavation; deformation monitoring; numerical simulation

10.11988/ckyyb.20160781

2016-08-04；

2016-08-21

国家自然科学基金项目(51078123)；合肥市轨道交通项目(2015FFCZ0617，2016FFCZ0701)

谢 沃(1990-)，男，广西贵港人，硕士研究生，主要从事基坑工程及隧道工程方面的研究，(电话)18255121056(电子信箱)2951540074@qq.com。

卢坤林(1980-)，男，安徽庐江人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事岩土工程、防灾减灾工程、地质工程、交通工程等方面的研究，(电话)15555127260(电子信箱)hgd230009@163.com。

TU473

A

1001-5485(2017)12-0106-05

(编辑：罗 娟)