软土地铁基坑安全监控指标体系研究

张 君（上海三维工程建设咨询有限公司， 上海 200060）

1 概 述

1.1 工程指标体系的重要性

地铁施工处于城市环境中，其地质条件和周边环境复杂，施工方法较难模拟，因而人们对地铁施工的工况研究及理论分析结果很难与实际情况完全相吻合。为了确保基坑工程施工进展平顺，有效实施安全监控，避免发生安全事故，建立一个定量化的预报警指标体系尤为重要。

基坑工程指标体系的建立，是指在基坑施工动态下，通过监测一些项目，采集不同阶段的数据，分析数据的变化情况，并设定相应的定量化警示值。若量测值在其规定范围，则表示基坑状态是正常的、安全的，周围环境也处于正常状态；反之，若超出警戒值，则表示有可能会发生安全事故。

工程监测数据，既能反映施工方法对工程的适用性，也能用来判断工程风险状况。在监测中，一般将设计给定值设定为监测指标警戒值，以此作为安全警戒值的理论依据。这种定值方法虽然明确、简单，但多个工程实例表明，规范和规程所规定的指标控制值较小、标准值偏高，在实际监控量测过程中可执行性差，量测结果超过警戒值的情况非常普遍，也就不能有效地对基坑施工进行安全风险管理。为了解决这一矛盾，有必要引入咨询指标值作为参照。咨询指标值源自对规范施工和安全性评判的综合考虑和对监控数据的深度挖掘，其数值在总体上要比设计给定的指标值略大。

1.2 研究现状

许多国内外学者和研究人员运用理论和实测等多种方法与手段，在地铁隧道和基坑的风险分析与评估方面做出了一定的贡献，取得了许多成果。例如：制定风险评估方法，通过现场实测进行验证，提出安全风险指标管控体系及采取相应的措施；运用理论和数值等方法与实测值进行对比检验，给出在风险的定量分析上以及控制方面的一些建议；等等。

1.3 制定原则

（1）根据基坑跨度、设计深度及地质与环境条件等诸多因素进行综合考虑。

（2）基于规范和设计要求。

（3）考虑施工水平的影响，借鉴已完成的同类工程经验。

1.4 研究内容

（1）基坑本体支护结构控制指标。围护墙：墙顶的竖向位移和水平位移。支撑：轴力日变化量和变化速率。

（2）周边环境控制指标。地表沉降：沉降量和沉降速率。建（构）筑物沉降：沉降量、沉降速率和倾斜度。地下管线：位移和沉降。地下水位：变化量和变化速率。

2 指标值的制定

2.1 具体步骤

（1）收集和比较相关规范和规程。以国家及地区的规范和规程作为研究的理论基础，对基坑、周边建筑物及周边管线的安全控制技术标准中的监测指标警戒值进行比较和归纳。

（2）调研和总结类似工程经验。调研类似基坑工程的相关案例，总结安全风险监控的影响因素，分析监控数据变化与安全风险状况的关系。

（3）咨询值的形成。运用数据统计分析方法，对基坑施工过程中的监测数据进行归类；结合计算机辅助计算，分析数值变化特征，研究基坑变形将到达的安全边界，并设定此时该变形指标的警戒值，形成安全监控指标体系咨询值方案。

2.2 安全监控指标咨询值的形成

经过以上步骤，建立本套基坑工程安全监控指标咨询值。具体如表 1～表 3 所示。

表1 基坑工程安全监控指标体系的监测结果

表2 基坑工程安全监控指标体系的评定指标

表3 基坑工程安全监控指标体系的咨询值

3 指标体系咨询值的验证

指标体系咨询值的验证步骤：制定监测项目的数据统计表格，收集施工过程中不同时期内的监测数据，将数据归类、分析，研究墙体测斜、地表沉降、管线、支撑轴力等数据的变化，绘制变化曲线，分析不同指标之间的关系；通过计算机进行数值分析，选用模拟软件，建立基坑的受力模型，分析基坑位移及墙体内力等变形情况，并与实测数据比对，验证前文建立的指标值。

3.1 工程案例分析

3.1.1 工程概况

江苏无锡轨道交通1号线新光路站车站主体长 200.1 m，标准段宽 19.20 m。顶板覆土 3 m，底板厚度 1 m，埋深15.91 m～17.61 m。标准段基坑埋深16.7 m，采用明挖法施工工艺。围护结构形式为地下连续墙，墙厚 800 mm。标准段共设置4道支撑并加设 1 道换撑，第一道采用 800 mm×800 mm 混凝土撑，其余 3 道加 1 道换撑，使用 Φ609 钢管支撑，壁厚 t＝16 mm。基坑变形控制保护等级为一级。

（1）地形地貌。地貌单元属太湖流域冲湖积平原。区内第四系覆盖层厚度大。范围内地层分布较稳定，为中软土。在勘察深度范围内可划分成 8 个工程地质层和 17 个工程地质亚层。

（2）地基水文情况。地表水：无锡地表水系发育旺盛，属太湖水系，常年水位（黄海标高）为 1.40 m～1.70 m，年变幅约 1.0 m，并受人控制，百年一遇洪水位达3.82 m。地下水：在场地深度范围内分浅层含水层、浅层承压水层和深层承压水层。

3.1.2 墙体水平位移

基坑开挖过程中墙体的最大水平位移，如图 1 所示。累计位移值均未超过警戒值，统计数据后可知测点最大水平位移值约是 1.87‰ 倍的基坑开挖深度，发生墙体最大水平位移的位置约在 0.85 H 处。

图1 墙体最大水平位移统计图

3.1.3 地表沉降

基坑开挖过程中各监测断面最大地表沉降，如图 2 所示。共有 5 个测点累计最大位移大于警戒值，最大沉降（D03-3）达到 －67.23 mm，各监测断面最大沉降量约为开挖深度的 0.5‰～4‰。

图2 各监测断面最大地表沉降统计图

由图 3 可知，距基坑水平距离约 17 m 处，地表易出现最大沉降，此距离与基坑开挖深度大致相等。

图3 最大地表沉降与基坑相对位置关系图

图4 揭示了基坑墙体最大水平位移与最大地表沉降的相对关系，除了 CXD09 断面墙体最大水平位移远超地表沉降量以外，其余各监测断面墙体水平位移 与墙后地表沉降大致相等，统计数据后可得出 。

图4 最大水平位移与最大地表沉降关系图

为了研究工程影响区表面基坑施工对周边岩土体及环境的影响程度及影响范围，可以对受施工影响的区域实施有效监测，在把控施工风险的同时做到经济合理。选取实测地表沉降点 D11、D12 和 D17，对监测断面上各沉降数据进行拟合，得出此基坑的影响区范围为 38 m，约为基坑开挖深度的 2.4 倍。

3.1.4 支撑轴力分析

警戒值为设计轴力值的 80%，由实测数据统计，大约有 21% 的轴力实测值超过警戒值，平均支撑轴力值为警戒值的 70.1%。

3.1.5 地下管线分析

运用监测数据，对在工程施工阶段沉降累计值最大及超过允许曲率半径的管线监测点进行重点分析，结果表明：管子变形曲率半径超过允许曲率半径，其累计沉降值小，未超过指标值；管子沉降累计值最大，超过指标值，但其变形曲率半径未超过允许曲率半径，沉降均匀。

3.2 基坑模拟计算分析

3.2.1 基坑工程数值分析中的常用土体本构模型

通过数值分析法分析基坑工程的受力情况，是基坑工程研究的重要方法之一，常用的基坑开挖计算分析方法有规范公式计算取值、弹性抗力法和有限元法。在基坑工程数值分析中，土体本构模型的选取及其参数的确定会对基坑工程数值分析的结果产生重要影响，目前虽然本构模型的数量较多，但还没有出现能够模拟土体一切特性的万能本构模型，因而在基坑工程的计算分析中还需要根据土体的特性及实际的应力路径来确定。对于参数的确定，如果采用复杂的本构模型，会增加参数确定的难度，因而需要进行高精度的室内试验和原位测试。

3.2.2 土体本构模型及其参数确定

目前大多数的本构模型以数学表达式方式体现。在岩土工程有限元的分析中，基于应力应变本构模型及其参数多建立在三轴试验的基础上，参数的选取对数值分析的计算结果非常重要。因此，有必要选用合理的本构模型，将合理的参数应用于本地铁车站的基坑工程数值模拟中，以获得正确的结论，指导施工单位合理施工。

考虑到基坑土体的收缩回弹特性，采取土体的硬化模型进行建模分析，各参数根据设计图纸取得。

3.2.3 模拟计算

运用 Plaxis 软件，建立平面受力模型，将实测数据与有限元模拟分析结果进行比较。根据地堪资料取得本基坑土体参数，由软件计算出基坑开挖后的地下连续墙横向位移、桩顶沉降和墙体轴力等。通过建模分析，证实本基坑开挖后的变形满足安全控制要求。

3.3 模拟计算和实测数据的分析对比

3.3.1 深层水平位移

图5 为基坑开挖底板时墙体深层水平位移变化实测值与模拟计算值的比较结果，图线的变化趋势基本吻合，实测水平位移最大值为 44 mm，模拟计算墙体最大水平位移为 38.21 mm。

图5 深层水平位移模拟计算和实测结果对比图

3.3.2 轴力值

实测支撑最大轴力为 1 677.29 kN。按目前较为普遍的测试结果，围护结构支撑轴力的实测值往往超过设计预警值，甚至达到设计值的数倍之多，使得监测数据失去了指导工程施工及验证设计的作用。究其原因主要有以下 3个方面。

（1）围护结构变形及支撑自重产生弯矩。支撑存在弯矩，导致同一截面钢筋受力不均，实测值结果偏大。

（2）混凝土的渐变。在长时间的外力作用下，混凝土结构会出现渐变过程，而钢筋不会。因此，混凝土的渐变会使钢筋产生附加应力，使实测值偏大。

（3）温度的附加应力。温度的改变直接对支撑产生影响，即金属的热胀冷缩。当温度上升时，钢管受热膨胀，而地下连续墙会约束其变形，导致支撑受力增加。同时钢筋的热膨胀系数大于混凝土，更进一步加剧了测试结果的偏高。

在实际施工过程中，支撑轴力受诸多非荷载因素的影响，导致实测值大幅度超过设计值。而数值模拟往往是在未考虑上述非荷载因素的理想状态下进行的，因而模拟结果通常会比实测结果小得多。可以认为，模拟结果准确客观地反映了支护体系的安全状况，未出现因轴力测试结果偏大而出现不可控风险，基坑整体仍处于安全状态。

4 结论与展望

（1）由基坑施工监测数据显示基坑位移基本在警戒值内，地表沉降最大的位置大致在与基坑开挖深度相等的地方，各指标实测值与咨询值方案预设基本吻合。通过计算机软件辅助模拟基坑受力分析，基坑实测变形值与模拟情况基本一致。

（2）从内力和形态上看，基坑的变形过程是一个比较复杂的变化过程，变形程度受到许多因素的影响。本文引入基坑施工安全监控指标咨询值，主要是以无锡地铁1号线新光路站基坑工程的监测数据进行定量分析，所用的归纳方法及其研究成果虽经该地区实践检验有效，但其局限性和适用性仍有待在其他地区同类工程施工实践中做进一步验证。

（3）用 Plaxis 软件模拟，只进行了简单的建模受力分析，对工程实测数据和软件模拟分析值之间的对应关系未作进一步探讨，有待今后通过数值分析进行深入研究。

（4）设立基坑安全监控指标咨询值，既可为工程施工过程中安全监控提供依据，又可对类似的基坑工程进行指标修正，对指导实际基坑工程施工具有积极意义。通过深入研究，实现以数据的形式定量化基坑工程的安全状态，从而为设计人员提供信息反馈，修正后续结构设计形式，从节能降耗上达到一定的经济价值。