深基坑施工监测与数值模拟

刘振华

摘要：通过对广州市轨道交通十三号线一期工程夏园站至南岗站区间设置的盾构井兼轨排井深基坑施工过程中的围护结构内力和地下连续墙水平位移进行实际监测和数值计算分析，研究了基坑施工过程围护结构受力特征和对周围环境产生的影响，得出围护结构内力分布和基坑水平位移变化规律，为类似大跨度基坑施工和围护结构设计提供依据。

关键词：深基坑；围护结构；施工监测；轨道交通

中图分类号：U453.4文献标志码：B 文章编号：1000033X（2016）06011605

0引言

随着地铁的广泛建设，国内出现了大量基坑工程，且基坑深度和规模越来越大，基坑施工和支护结构的设计问题越发重要[13]。如今基坑工程的设计，大多数是根据理论和工程经验；但由于工程地质条件的多样性和不确定性，以及计算方法和参数选取没有统一标准，经验设计已难满足深大基坑的设计要求，这给基坑工程的发展带来了许多问题[46]。随着计算机技术不断进步，各种工程监测方法日新月异，推动了基坑工程的信息化施工[7]。本文在基坑施工进行过程中监测基坑围护结构变形规律，适时调整施工方案，确保安全施工；并且和数值模拟对比分析，验证数值模拟和参数选取的可行性，为基坑设计提供参考。

1工程概况

本文的依托工程为广州市轨道交通十三号线一期工程夏园站至南岗站区间设置的盾构井兼轨排井。

盾构井范围内管线较多，重点管线有2条，分别为埋深7.81 m的Φ1 000 mm混凝土排水管线和埋深1.55 m的Φ1 200 mm混凝土给水管线。其中，混凝土排水管线永久改迁至基坑西北侧，其余管线均为临时改迁。盾构井周边房屋建筑较少，北侧为低层居民房，东侧为黄埔东路，交通繁忙。

盾构井场地范围内岩土层主要物理力学指标如表1所示。

本盾构井处于珠江三角洲冲积平原下游地段，线路浅部主要地层为海陆交互相沉积层，因而地下水位较浅；勘察期间地下水水位埋深变化不大，稳定

2基坑支护设计

盾构井采用明挖法施工，长614 m，宽255 m，标准段开挖深度2281 m，端头井开挖深度2382 m。主体结构采用单层三跨矩形框架结构，全外包防水；围护结构采用1 000 mm厚连续墙加内支撑围护方案，连续墙标准幅宽6 000 mm。基坑深度方向共设置4道内支撑，其中第1、2、3道为混凝土支撑，第4道为钢支撑。3道混凝土支撑和3道环梁一同浇筑，与连续墙共同组成围护结构。由于该基坑要满足盾构始发兼轨道吊装要求，所以基坑水平方向只布置2道混凝土支撑，水平间距36 m。地下连续墙采用C30混凝土，混凝土支撑和环梁采用C40混凝土。围护结构平面和剖面布置如图1、2所示。

3基坑监测

3.1监测目的

（1）通过将监测数据与预测值作比较，判断上一步施工工艺和施工参数是否符合或达到预期要求，同时对下一步施工工艺和施工进度进行控制，从而实现信息化施工。

（2）通过监测发现工程桩施工过程中的环境变形发展趋势，及时反馈信息，以达到有效控制施工对周边环境影响的目的。

（3）将现场监测结果反馈给设计单位，使设计能根据现场工况发展，进一步优化方案，达到优质安全、经济合理、快捷施工的目的。

（4）通过跟踪监测，使支撑拆除阶段施工科学有序，保障基坑始终处于安全运行的状态。

3.2监测项目

根据现场实际情况和规范要求，基坑主要监测项目和测点布置如表2所示。

3.3监测结果分析

3.3.1支撑轴力和环梁应力监测结果分析

根据设计资料，监测4道支撑的轴力，同时在环梁受力最大处监测环梁应力值。支撑轴力和环梁应力监测曲线如图3所示。

4道支撑和环梁一起组成支撑体系，从图3可以看出，支撑轴力和环梁应力的变化主要经历4个阶段。

（1）第一阶段是第1道混凝土支撑和环梁的施作到开挖到第2道支撑底部。这个阶段第1道混凝土支撑轴力和环梁应力随着基坑开挖深度的增加呈线性增长，该阶段为第1道混凝土支撑轴力和环梁应力增长的主要阶段。

（2）监测到35 d时，第2道支撑和环梁施作完成，一直到第3道支撑施作前，为第2阶段。这一阶段第2道支撑轴力和环梁的应力急剧增大，第2道环梁承受了主要的压力。该阶段为第2道环梁应力增长主要阶段，第1道环梁应力增长缓慢。由于第2道支撑的施作，第1道支撑的轴力明显减小，随后增长缓慢。

（3）监测到56 d时，第3道支撑和环梁施作完成，一直到第4道钢支撑施作前，为第3阶段。这一阶段第3道环梁的应力急剧增大，第3道环梁承受了主要的压力，应力值明显大于前2道环梁，该阶段为第3道环梁应力增长主要阶段，前2道环梁应力增长缓慢。第3道支撑和环梁一样，轴力也呈线性急剧增大，前2道支撑轴力突然减小后增长缓慢，第3道支撑承受了主要土压力。

（4）到85 d时，第4道钢支撑加设完毕，一直到开挖到基底，为第4阶段。第4道钢支撑的架设，使前3道支撑轴力稍微减小，但随着基坑开挖，轴力又逐渐增大。这一阶段虽有第4道钢支撑的作用，但钢支撑分担压力毕竟较小，因此第3道环梁应力明显增大，并且大于前2道环梁应力。

3.3.2地下连续墙水平位移监测结果分析

地下连续墙的变形能很好地反应基坑的稳定性，且该基坑中间位置水平位移为最大值，因此选取基坑中间位置测斜管进行监测，结果如图4所示。

由图4可见，第1步土体开挖至3.5 m深，没有架设支撑，地连墙水平位移呈前倾状，位移最大值位于墙顶。第2步开挖至10 m深，并且施作了第1道环梁和支撑，地连墙变形曲线呈弓形，最大水平位移位于基坑开挖面附近。第3步开挖到16 m，地连墙变形曲线和第2步开挖相似，只是最大位移随着基坑的开挖不断下移。第4步基坑开挖完毕，最大水平位移出现在基底附近。在施作支撑时，地下连续墙的位移有明显减小趋势，施作支撑后，地下连续墙位移增长速率也变小。

4数值模拟及分析

4.1三维模型建立

根据基坑实际工程情况，对基坑整体建立三维模型，模型尺寸选取基坑开挖深度的2～5倍。模型长度方向边界到基坑边距离取约3倍基坑开挖深度，模型宽度方向边界到基坑边距离取约3倍基坑开挖深度，模型底部边界到基坑底部距离取约2倍基坑开挖深度，模型总尺寸为180 m×145 m×74 m，如图5所示。

4.2计算参数和边界条件

本工程深基坑支护措施主要有地下连续墙、环梁、混凝土内撑和钢支撑，支护参数的合理选取是影响模拟计算结果合理性的重要因素之一，本模型支护结构计算参数如表3所示。

本工程采用理想弹塑性模型进行计算，根据DP屈服准则，结构自重按材料重度参数和模型尺寸由软件计算确定。结合基坑实际施工情况，基坑顶部为地面，按自由面算，不进行约束。模型前后限制X方向位移，左右侧限制Y方向位移，底部限制Z方向位移。

4.3数值模拟结果分析

4.3.1环梁应力分析

模拟得到不同开挖步骤环梁所受应力云图，如图6、7所示。环梁最大拉应力如表4所示，最大压应力如表5所示。

表4表明，第5步开挖时，3道环梁拉应力达到最大值，并且第3道环梁拉应力最大，为3.17 MPa，

位于环梁中间位置处，这与基坑中间位置监测值最大相符合。第3和第4步开挖环梁最大拉应力从上到下依次减小，第5步开挖环梁最大拉应力从上到下依次增大。主要原因是，随着基坑开挖深度增大，基坑内外压力差增大，基坑底部向坑内水平位移变大，下部支撑承受最大压力。3道环梁拉应力变化趋势和监测结果相一致。

表5表明，3道环梁压应力变化趋势和监测结果一致，可以达到预测基坑围护结构受力要求。第5步开挖时3道环梁压应力达到最大值，并且第3道环梁压应力最大，为4.43 MPa，位于环梁两端位置处。随着开挖步骤的进行，环梁最大压应力从上到下依次增大。主要原因是，随着基坑开挖深度增大，基坑内外压力差增大，基坑底部向坑内水平位移变大，两端出现向基坑外侧的位移，两端环梁压应力也逐渐变大。

4.3.2地下连续墙水平位移分析

模拟得到不同开挖步地下连续墙水平位移云图，如图8所示。

图9为基坑中间地下连续墙水平位移计算结果曲线，计算曲线和监测数据变化趋势相似。第1步开挖时地下连续墙最大水平位移位于墙顶，曲线呈前倾状，最大值为2.04 mm，正值表示向基坑开挖方向偏移。之所以墙顶位移最大，是因为第1步开挖时还未架设支撑，地下连续墙呈悬臂状态，因此最大位移出现在墙顶。随着开挖的进行，基坑开挖深度不断增大，地下连续墙最大位移位置逐渐下移，变形曲线呈弓形，最大水平位移位于基坑开挖面附近。第5步开挖后，地下连续墙水平位移达到最大值679 mm，在规范容许范围内。

5结语

（1）对基坑监测结果的分析证明，在基坑施工过程中，围护结构受力大小和基坑变形量均满足设计要求，该基坑围护结构的设计是安全合理的。

（2）运用有限差分软件对基坑施工过程和围护结构进行数值模拟，将计算结果和实际监测数据进行对比分析发现，围护结构受力特征和基坑变形规律大致相似。数值模型和参数选取合理，可指导类似基坑工程模拟计算；但由于实际施工环境的复杂性和岩土参数的不确定性，数值模拟很难完全真实地反映实际施工情况，使得模拟与实测结果仍存在一定差异。

（3）根据本工程实际监测数据和数值模拟结果，对于支撑间距较大的基坑，特别是像本工程这样，2道混凝土支撑间距36 m的基坑，竖向3道环梁加支撑组成的围护体系即可以满足设计要求；不仅受力合理，施工方便，并且大大减小了对基坑周边环境的影响，是一种很好的基坑围护方式。

（4）第1步开挖时，基坑最大水平位移位于墙顶，施作支撑后，基坑和地下连续墙最大水平位移都位于基坑开挖面附近，水平位移变化曲线呈弓形。随着基坑开挖深度增加，水平位移逐渐变大。每一开挖步骤的水平位移变化曲线呈相似关系。

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