基坑开挖土体位移变化实测与数值模拟分析

邹升伟

(南京市江宁区交通运输局，南京 211100)

对于城市中心的基坑工程，完好保护地面建筑物、地下构筑物及周边环境，逐渐成为设计和施工的主要控制因素，应使基坑工程施工对环境影响控制在允许范围内[1]。研究并总结土体位移传递规律，能够有效地对基坑工程进行变形控制[2]。

基坑开挖时由于开挖卸荷导致坑底土体隆起引发周边地层移动，也导致围护墙在外侧水土压力的作用下产生水平位移。随着开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断增大，高差达到一定程度造成的加载和地面超载作用，会使墙外侧土体向基坑内移动，同时引起较明显的地面沉降[3]。当前针对墙后地面以下土层的位移研究还仅限于规律性的探讨,如Blackburn等[4]、Wang等[5]对基坑周边土体位移场变化所做的研究。基坑开挖引发的四周地层变形，从基坑周边起逐步向外传递，存在一个位移传递路径以及渐变[6]的过程。当基坑邻近地面建筑物时，会导致建筑物面向基坑倾斜[7]；当基坑邻近刚度较大的地下构筑物时，基坑开挖引发的周边土层变形的位移场传递会表现出与正常基坑位移场的差别及突变过程。鉴于西安市南门广场市政下穿隧道基坑工程东临城墙、西临地铁车站开挖工程，结合本工程实测数据及有限元数值模拟，对比基坑东、西位移场的差异，研究其位移传递规律。

1 工程概况

西安市南门广场市政下穿隧道基坑长为118.3 m，标准段宽为20.4 m，最大深度为9.2 m。距离基坑西侧6.4 m处为地铁2号线永宁门站开挖工程点。距离基坑东侧11.7 m处为西安城墙。基坑与地铁车站及城墙的平面布置如图1所示。

图1 基坑与地铁车站及城墙的平面布置

该基坑采用半逆作法施工，坑周浇筑地下连续墙作为基坑围护结构，坑内设3道竖向钢支撑。以基坑某轴施工为参考，工况一于2014年3月8日开始围护结构地下连续墙施工，于2014年4月28日完工；工况二于2014年 5月8日—5月21日开挖至-2 m处，于-1.5 m处设置第一道钢支撑；工况三于2014年5月28日—6月9日开挖至-4.5 m处，于-4 m处设置第二道钢支撑；工况四于2014年6月15日—6月22日开挖至-7 m处，于-6.5 m处设置第三道钢支撑；工况五于2014年6月28日—7月6日开挖至基底并完成底板浇筑。基坑开挖与地铁车站及城墙的立面示意如图2所示。

图2 基坑开挖与地铁车站及城墙的立面示意(单位：m)

2 监测数据分析

2.1 东侧城墙位移

以该基坑工程8～9轴施工为依据，分析各工况施工过程中基坑东侧城墙的整体位移变形，基坑施工阶段城墙沉降如图3所示。DJC1～DJC4分别为由西向东布设于城墙顶端的监测点，假定初始状态顶端位置为0.0 mm。由图3可知，工况一施工阶段城墙整体上升，西侧上升了0.3 mm，东侧上升了0.1 mm，刚开始呈现出背向基坑倾斜的趋势；工况二施工阶段城墙发生下沉，西侧下沉至-0.4 mm，东侧下沉至-0.2 mm，与开始阶段不同，此时呈现出面向基坑倾斜的趋势；工况三施工阶段城墙继续下沉，在工况二的基础上，西侧又下沉了0.5 mm，东侧又下沉了0.2 mm，面向基坑倾斜趋势增大；工况四施工阶段西侧进一步下沉至-1.4 mm，东侧进一步下沉至-0.7 mm；工况五施工阶段至底板完工，面向基坑倾斜趋势更为明显，城墙西侧累计下沉了-2.4 mm，东侧累计下沉了-1.1 mm。

图3 基坑施工阶段城墙沉降

2.2 西侧地铁车站位移

同样以8～9轴施工为依据，基坑施工阶段车站底板变形如图4所示。XJC1～XJC4分别是由西向东布设于西侧隧道底板、西侧立柱、东侧立柱、东侧隧道底板上的监测点，假定初始状态底板位置为0.0 mm。由图4可知，工况一施工阶段西侧隧道抬升至0.2 mm，东侧隧道抬升至0.7 mm，车站结构整体抬升，刚开始同样呈现出背向基坑倾斜的趋势；工况二施工阶段，与城墙不同，地铁车站背向基坑倾斜的趋势更加明显，在工况一的基础上西侧隧道下降了0.8 mm，东侧隧道抬升了1.2 mm；工况三、工况四和工况五施工阶段，车站结构背向基坑倾斜趋势持续增大，直至施工完成，西侧隧道累计下降至-1.7 mm，东侧隧道累计抬升至2.9 mm。

图4 基坑施工阶段车站底板变形

通过实测数据分析，基坑开挖过程中东侧地面城墙呈整体面向基坑倾斜趋势，而西侧地铁车站呈背向基坑倾斜趋势。鉴于该情况，采用有限元数值模拟分析基坑开挖对周边环境的影响，通过与实测对比分析，验证数值模拟的合理性，从而进一步探讨基坑开挖过程中土体位移场的变化。

3 数值模拟分析

通过对基坑东西两侧位移场和应力场的变化比较，运用MIDAS GTS软件进行数值模拟分析，从中寻找复杂环境下位移场的分布特征，进而确定基坑开挖过程中土体位移传递规律。为使数值模拟效果贴近真实开挖过程，采用分步开挖、分步支护和分步加卸载的方式。

3.1 计算模型

采用MIDAS GTS软件进行二维数值模拟[8]分析，计算基坑开挖过程中土体位移场的变化。分析过程中，土体介质假设为非线性弹塑性介质材料，土体破坏准则采用弹塑性摩尔-库伦模型准则。

对于地铁车站、城墙及地下连续墙材料，因其弹性模量远大于土体，所以都按弹性受力状况来考虑，对结构材料采用弹性梁单元模拟。由于模拟中计算参数的选定是进行数值模拟分析的关键，为了能够最大限度反映各介质的性质，对于土体参数的选取结合了西安市南门区域的岩土工程勘察报告和MIDAS岩土土体参数的材料库，各土层物理力学参数如表1所示。地下连续墙的参数选取：弹性模量E=3×104MPa，厚度D=600 mm。支撑的参数选取：弹性模量E=2×105MPa，截面A=4.9×10-3m2，截面惯性矩I=1.2×10-3MPa,预应力P=250 kN。

表1 各土层物理力学参数

模型建立中，地铁车站、城墙及地下连续墙采用二维梁单元，支撑结构采用一维梁单元。土体采用软件自带的修正摩尔-库伦本构模型，采用4节点平面单元,将模型中除古土壤层外其余土层都设置为陕西典型的④-1黄土层。同时通过模型试算将表1中的②-1黄土层和②-2黄土层对基坑及周边环境的影响作用简化为厚度不变的④-1黄土层,二者对基坑及周边环境影响相同(不赘述具体的试算简化过程)。通过设置和调整，对比分析实测数据，除基坑底部模拟值较实测值偏大较多以外，其余数值模拟与实测结果较吻合。对于边界约束的设置，左右两侧设为水平约束，下部设为竖向约束，上部设为自由边界。MIDAS网格如图5所示，整体看作平面应变问题，采取分步开挖和分步支护来模拟整个施工过程。

图5 MIDAS网格

3.2 模拟结果分析

3.2.1 模拟与实测结果对比分析

通过对比分析模拟与实测数据，判断模拟中的各计算参数选取是否合理，模拟是否能在一定程度上反映实际情况，从而用于研究位移传递规律。

城墙沉降数值模拟结果与实测数据对比如图6所示，由图6可知，基坑开挖后城墙沉降的数值模拟计算曲线与实际监测曲线形状一致，且随着开挖深度的增加，两曲线形状始终保持基本一致，只是斜率略有差异。

图6 城墙沉降数值模拟结果与实测数据对比

车站底板变形数值模拟结果与实测数据对比如图7所示，由图7可知，两曲线形状比较一致，但不同工况下的模拟值都大于实测值，通过参数分析并结合施工现场调研，发现是因为距基坑西侧5 m左右有大型施工设备经常碾压及临时建筑材料堆放，导致该部分土体长期承受地表重压。

图7 车站底板变形数值模拟结果与实测数据对比

数值模拟与实测结果总体较吻合，表明模拟中的计算参数选取相对合理，模拟能够较清晰地反映实际，也说明后续的位移传递规律具有研究价值。

3.2.2 基坑东西两侧位移场影响机制分析

由MIDAS GTS二维数值模拟的位移场可以看出，东西两侧的位移场有很大不同。东侧坑周地面下沉，地面建筑物面向基坑倾斜，而西侧坑周地面有少许上抬，地下结构背向基坑倾斜。这表明地下结构的存在导致位移场变化，基坑开挖打破了原有的土体内力平衡，从而使土体产生位移。东侧的位移是产生后向坑周发展，并逐步向坑外传递的连续过程，因此地面结构面向基坑倾斜。而西侧位移传递到地下结构时，由于结构刚度较大，土体位移的连续传递被中断，但结构下部的土体位移传递却在继续。因为力的相互作用，土体对结构物有影响，结构物也必然反作用于邻近土体，相当于屏障起遮拦作用，甚至使支护结构变形减小，围护结构背后需要补充的土也减少，导致结构物与基坑间的土体向上位移。另外，地下结构与周边土体的剪切力作用同样带动土体向上，最终导致地下结构背向基坑倾斜。

3.2.3 临界深度分析

受基坑开挖的影响，土体变形从基坑向外扩展进行土体的位移传递，传递过程中车站底板整体抬升，以远离基坑那一边的车站底部为转动支点，随着基坑开挖深度的增加，继续上抬，导致地铁车站背向基坑倾斜。但随着开挖深度进一步加深，土体位移场再次发生变化，此时存在一个临界深度，超过临界深度后，地下车站由背向基坑倾斜变成面向基坑倾斜。车站底板临界深度变形曲线如图8所示，运用模拟软件增加模拟开挖深度，由图8可知，当开挖深度达到-13.2 m时，位移场已经发生明显变化，当开挖深度达到-14.2 m时，地铁车站呈面向基坑倾斜，由此判断位移场发生突变的临界深度应该为基坑开挖至地铁车站深度的1.5倍左右。此基坑开挖临界深度的进一步精准确立与验证，还须深入的理论模拟和模型试验研究，这对于复杂环境下的实际基坑工程有着关键作用。

图8 车站底板临界深度变形曲线

4 结论

(1)监测数据与数值模拟结果说明地下结构对基坑开挖过程中的土体位移场起阻断和遮拦作用，会导致地下结构背向基坑倾斜。

(2)数值模拟计算结果表明，存在一个临界深度，基坑开挖至此深度时位移场发生突变，地下结构由背向基坑倾斜转变为面向基坑倾斜。