地铁车站深基坑开挖监测与数值模拟研究

吴明泽，吴景华，黎 浩

(长春工程学院，长春 130021)

地铁车站深基坑开挖监测与数值模拟研究

吴明泽，吴景华，黎 浩

(长春工程学院，长春 130021)

以郑州市某地铁车站的深基坑工程为研究背景，运用有限元分析软件MIDAS/GTS NX建立整体有限元模型，对基坑开挖的每步施工过程进行数值模拟。探讨了深基坑开挖过程中地连墙的水平位移、周围地表沉降及内支撑轴力分布情况，用于判定深基坑在开挖过程中的稳定性和安全性。同时分别对深基坑开挖过程中周围的建筑物沉降、墙顶水平位移和沉降及支撑轴力进行了监测，并与数值模拟值进行对比。结果表明：理论计算值与现场监控值变化趋势基本一致，结果误差不大，均在设计报警值以内；墙体水平位移随着开挖深度增加而增大，且最大的位移逐渐向下移动，土体地表沉降的变形基本随着开挖深度的增大而逐渐增大，但内支撑轴力不随开挖深度的增大而增大，而是呈现波动的变化趋势；在深基坑开挖过程中，应重点对开挖引起的对墙体变形、地面过大变形和支撑结构内力进行监测。研究结果表明监控量测与数值模拟相结合能较好地运用于基坑开挖，也可为类似基坑工程的开挖提供一定的借鉴作用。

深基坑开挖；地铁车站；现场监测；数值模拟；变形；内支撑轴力

0 引言

近几年，随着科学技术的不断发展，很多城市都开始修建地铁，深基坑工程是地铁项目的一个重要组成部分，其规模越来越大，深度越来越深，因此深基坑开挖和支护成为地铁工程的热点和难点[1]，由于基坑开挖引起的变形会对周边建筑物构成威胁[2]，使得在施工期间引起的基坑变形及基坑稳定状况成为许多设计和施工单位广泛关注的问题之一[3-4]，故有必要对支护结构及周边环境实施监测[5]，为勘察设计施工部门及时提供监控资料，避免造成不必要的经济损失和社会影响[6]。目前，监控量测技术在许多工程[7-8]中得到了广泛应用，同时随着有限元理论及计算机技术的快速发展，数值模拟成为地下工程施工研究的一种有力工具[9-10]，在开挖之前对基坑进行数值模拟较为重要[11]，可有效地减小工程事故的发生。

国内许多学者对基坑工程研究采用的方法各有差异。文献[12]通过建立天津地铁深基坑的有限元模型进行分析，确定了该地区的变形控制标准；文献[13-14]分别对上海和南京地区基坑开挖的大量监测数据进行挖掘和统计，分别确定该地区的基坑测斜指标；文献[15]基于大量的工程统计资料和基坑周围环境对附加变形的承受能力，分别提出了确定深基坑变形控制指标的两种方法。本文基于郑州轨道交通3号线某地铁车站深基坑工程为研究背景，通过有限元分析方法预测基坑开挖过程中的土层及建筑物变形和支护应力变形规律，同时进行了现场监测，并将两者结果进行对比分析，得到了基坑开挖中土层及建筑物的变形规律和支护应力分布规律，以期对类似地区基坑工程监测起到一定的借鉴作用。

1 工程实例

1.1 工程概况

郑州轨道交通3号线工程线路全长31.35 km，均为地下线路，设车站24座，中兴路站为3号线的第19座车站，该站深基坑采用明挖顺筑法施工，基坑总长323.74 m，标准段宽度23.5 m，标准段开挖深度24.75 m，端头井及换乘节点宽度27.6 m，开挖深度26.05 m，顶板覆土约3.0 m(中心里程处) 。支护结构为三跨三层框架结构，主体围护结构采用1 000 mm厚地下连续墙作为围护结构，内支撑采用钢筋混凝土支撑与钢管撑的内撑形式，其中钢支撑采用Q235钢材，冠梁与混凝土支撑采用C35混凝土。支护横向剖面如图 1所示。

图1 框架支护结构横向剖面

1.2 工程水文地质条件

本基坑所处地貌类型为黄河冲洪积平原，场地30 m深度范围内地层主要为第四系全新统(Q4)地层，0～20 m主要地层为粉土、粉质黏土，夹有粉砂、细砂，20～30 m主要地层为中密—密实细砂。本站围护结构主要穿越地层自上而下依次为：①素填土，厚度为0.40～3.00 m；②32黏质粉土，厚度为3.0 m；②22粉质粉土，厚度为0.90～5.80 m；②34黏质粉土，厚度为0.80～7.50 m；②23粉质黏土，厚度为2.00～13.90 m；②34C粉砂，厚度为0.70～2.00 m；②35黏质粉土，厚度为2.10～2.30 m；②36砂质粉土，厚度为0.60～4.10 m；②36C粉砂，厚度为0.70～2.00 m；②51细砂，厚度为2.80～8.70 m；②52细砂，厚度为1.60～12.70 m；②52A黏质粉土，厚度为0.40～9.40 m；③23粉质黏土，厚度为2.00～13.90 m；③24粉质黏土，厚度为1.30～10.60 m。土的物理力学性能指标见表 1。

基坑所在场地地下水主要为孔隙潜水，稳定水位在12.4～21.2 m，每年6月—9月是地下水的补给期，雨量充沛，水位上升，每年12月—次年2月为排泄期，地下水位则下降，正常情况下地下水年变幅在2.0 m左右。

表1 土的物理力学性能指标

表1(续)

2 有限元模型建立与基坑支护分析

2.1 有限元模型的建立

本文采用有限元分析软件MIDAS/GTS NX 建立基坑模型(图2)，根据基坑实际情况，首先建立基坑的几何图形，添加土体和基坑材料以及属性；然后建立土体和基坑实体，划分网格，析取1D，2D单元；最后定义边界条件和约束，对基坑不同工况进行模拟分析计算。

图2 有限元模型图

2.2 基坑支护分析

2.2.1 支护结构设计

中兴路站深基坑采用内支撑结构，内支撑体系由冠梁、钢筋混凝支撑、混凝土腰梁、砼连系梁以及钢管支撑和钢联系梁6部分组成。详细内支撑结构为：第1道支撑为800 mm×1 000 mm的混凝土撑，撑在1 500 mm×1 200 mm的冠梁上，地下连续墙顶均设置冠梁，将连续墙连接为整体；第3道支撑为800 mm×1 000 mm的混凝土撑，撑在1 200 mm×1 200 mm的腰梁上，基坑设置2道腰梁，位置在第3道支撑和第4道端头井位置；第2、4、5道支撑为钢支撑，撑在地下连续墙上。标准段宽度23.5 m，标准段开挖深度24.75 m，端头井宽度27.6 m，开挖深度26.05 m。

2.2.2 深基坑开挖过程模拟

根据实际施工进程分为以下工况：

1)工况1：施工围挡，进行场地平整和交通疏导，进行地下连续墙修建，布置降水井降水。

2)工况2：进行基坑开挖至第1道钢筋混凝土支撑下，第1道钢筋混凝土支撑与冠梁同时浇筑成整体。

3)工况3：进行基坑开挖至第2道钢管支撑下0.5 m，架设第2道钢管支撑。

4)工况4：进行基坑开挖至第3道混凝土支撑下0.5 m，第3道钢筋混凝土支撑与腰梁同时浇筑成整体。

5)工况5：进行基坑开挖至第4道钢管支撑下0.5 m，架设第4道钢管支撑。

6)工况6：进行基坑开挖至第5道钢管支撑下0.5 m，架设第5道钢管支撑。

7)工况7：开挖土体至基坑底部，浇筑垫层素混凝土、施做防水层及钢筋混凝土底板。

对以上工况进行数值模拟运算。

2.2.3 深基坑模拟结果分析

2.2.3.1 地连墙水平位移分析

对基坑标准段中心位置处进行地连墙随基坑开挖的水平位移数据分析如图3～5所示。从图4可以得出，地连墙水平位移随着开挖深度的增加不断增加，并且最大水平位移不断下移。工况2施工结束时，最大水平位移为3.5 mm，；工况5施工结束，最大水平位移为4.5 mm；开挖完毕时，最大水平位移为6.5 mm，位移均在规范允许范围内。

图3 开挖完成后地连墙水平位移云图

图4 地连墙水平位移曲线图

图5 开挖完成后周围地表沉降云图

2.2.3.2 周围地表沉降

对基坑标准段中心位置一点，到距基坑50 m范围内的地表沉降随基坑开挖进行分析如图6所示。从图6可以得出随着基坑的开挖，地表沉降值不断增大，并且最大沉降值位置不断地向外延伸，开挖完第3层土时，最大沉降为-6.02 mm，距基坑边为10 m；开挖完成时，最大沉降位置距基坑边约18 m，最大值为-13.5 mm。

图7为基坑标准段中间位置处各道支撑在各个工况下的轴力图，从图7可以看出每道支撑轴力随基坑开挖深度而增加。并且第2道支撑轴力先增加后减小，这是因为随着开挖深度增大，墙体发生水平位移，支撑受到水平方向的压力增大，导致第2道钢支撑先增大，而第4道第5道钢支撑距离较近，施工间隔较短，受到的影响也比较小。

图6 地表沉降曲线

图7 各工况下支撑轴力曲线图

3 基坑监测

3.1 监测内容及测点布置

3.1.1 围护墙顶水平位移及沉降监测

墙顶水平位移的监测点布置在地下连续墙的冠梁上，采用经纬仪进行测量，基坑共布置57个测点，测点编号为QDS1～QDS57；墙顶沉降的监测点布置在冠梁上，使用测斜管及测斜仪器，共布置测点57个，测点编号为QDC1～QDC57。

3.1.2 周边地表的沉降

周边建筑沉降测点布置在基坑周边需保护的建筑物上，采用水准仪或经纬仪进行测量，布置37个测点，测点编号DBC1～DBC37。

3.1.3 支撑轴力

支撑结构的轴力测点布置在支撑端部或中部，该处轴力较大，上下层对齐布置，采用轴力计进行测量，布置50个测点，测点编号为ZL1～ZL50。

3.2 监控指标

在一般工程情况下，当监测数据达到报警值的80%时，视为已达到监测预警状态，即开始启动各项预警措施。依据GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》[16]要求，各监测项目报警值见表 2。

表2 监测报警值

4 监控量测及数值分析结果

深基坑开挖过程中根据相应的工况进行了实时监控，分别采用数值模拟与监测技术进行基坑开挖控制，由于监控内容的测点较多，本文基于监测内容分别在相应工况最不利情况监测点比较分析。针对本工程选取标准段以及盾构段具有代表性的监测点布置如图8所示。

图8 监测点布置图

4.1 墙顶位移水平及沉降的结果比较

墙顶水平位移及沉降测点数量较多，此处给出不同工况下比较有代表性标准段和盾构段的3个测点数据，对其进行监测值与数值模拟值的比较。结果如图9所示。

由图9可知，墙顶部最大的水平位移和沉降的计算值与监测值结果有些误差，但差别不大，说明建立的三维有限元模型能够满足要求。随着开挖深度的增加，无论是计算结果还是监测结果都表明，测点水平位移均随着开挖深度的增加而增大，且计算值与监控值均在设计报警值范围以内。

4.2 周边地表沉降的结果比较

周边地表沉降测点数量较多，此处给出不同工况下距离基坑2 m处比较有代表性的3个测点数据，其余测点数值此处不再给出。为了编号方便，相应编号命令为DBC1～DBC3，结果如图10所示。

图9 墙顶水平位移

图10 周围地表沉降

由图10可知，基坑周边地表最大沉降的计算值与监控值变化趋势总体相似，随着开挖深度的增大，最大沉降的计算值与监控值也在增大，结果也存在误差，但差别都不大，计算值与监控值最大差值在1.55 mm，说明有限元计算能较好地与监控值吻合，且沉降值均在设计报警值范围以内。

4.3 支撑轴力的结果比较

支撑轴力的测点数量较多，此处给出不同工况下第1道混凝土支撑不同位置的3个测点数据以及第4道钢支撑不同位置的3个测点数据。为了编号方便，混凝土支撑轴力较大值的相应编号令为HZL1～HZL3，钢管支撑轴力较大值的相应编号令为GZL1～GZL3，，详细结果如图11～12所示。

由图11～12可知，混凝土支撑和钢管支撑的轴力变化规律与计算结果基本一致，但监测值普遍比计算值小。这可能主要在于：建模型计算时，地下连续墙与混凝土及钢管支撑之间是紧密连接的，在内、外压力荷载的作用下能更好地发挥功能，使得计算值普遍大于实测值。同时，在基坑开挖及支护过程中，地下连续墙和内支撑之间是有空隙的，在荷载的作用下，两者压紧后才会受力，这样测得的混凝土及钢管支撑轴力就会比理论计算值小。再加上施工监测过程中，轴力监测的应变片要在内支撑全部安装完成后才开始焊接，一部分轴力就没能测到，使得支撑轴力的监测值偏小。

图11 第1道混凝土支撑轴力变形曲线图

图12 第4道钢支撑轴力变形曲线图

5 结语

通过建立郑州某地铁深基坑的整体有限元模型，对基坑开挖施工过程进行模拟分析，同时进行现场监测，可以得出如下结论：

1)墙体水平位移也随着开挖不断增大，且最大位移随着开挖深度一段下移。墙顶水平位移及沉降的计算值与监控值变化趋势总体相似，基本随着开挖深度的增加而逐渐加大，但两者结果误差不大，位移量在设计报警值范围以内。

2)基坑周围地表沉降随着基坑的开挖，地表沉降值位置不断增大，并且最大沉降值位置不断地向外延伸。计算值与监控值误差较小且在设计报警值范围以内，但在基坑开挖过程中最大位移不断增大，应加大对周围地表沉降的监测。

3)在深基坑开挖的整个过程中，每层支撑结构的轴向压力并不随着开挖深度的增加而增大，随着基坑开挖深度的加大，地连墙水平位移逐渐加大，支撑受到的水平力加大，因此，支撑轴力主要还是呈现波动的变化趋势。

4)理论计算值与监测数据的变化规律基本一致，结果也较为接近，说明建立的三维有限元模型能够满足要求。

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TheMonitoringandNumericalSimulationofDeepFoundationExcavationofSubwayStation

WU Ming-ze，et al.

(ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130021，China)

Based on the deep foundation excavation in subway stations in Zhengzhou，the software MIDAS/GTS NX has been used to set up the finite element model to carry out the numerical simulation to deep foundation excavation under each construction process.The horizontal displacement，the settlement of the surrounding surface and the distribution of the internal support axial force during the excavation of the deep foundation pit are discussed in this article.It is used to determine the stability and safety of the deep foundation pit during excavation.At the same time，during the excavation of deep foundation pit，the settlement of the surrounding buildings，the horizontal displacement and settlement of the roof，and the supporting axial force are monitored respectively，and compared with the numerical simulation values.The results show that the calculated value is consistent with the change trend of the field monitoring value，and the calculated result is with not much error，both are within the design alarm range of value；the horizontal displacement of the wall increases with the excavation depth，while the maximum displacement gradually moves downwards.The deformation of the soil subsidence settlement gradually increases with the depth of the excavation，while the internal support axial force does not increase with the increase of the excavation depth，but with the trend of the fluctuation；in the process of deep foundation pit excavation，the monitoring should be focused on the excavation caused by the deformation of the wall，the large deformation of the ground，and the support structure.The results show that the combination of monitoring and numerical simulation can be applied to foundation pit excavation and can also provide some reference for excavation of similar foundation pit construction.

deep foundation pit excavation；subway stations；in-situ monitoring；numerical simulation；deformation；inner-support axle-forces

2017-03-29

吴明泽(1991-)，男(汉)，郑州，在读硕士主要研究岩土工程。

10.3969/j.issn.1009-8984.2017.03.003

TU753.1

A

1009-8984(2017)03-0009-07