地铁基坑开挖中围护结构变形规律分析

邓海涛

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

近年来，由于城市交通的快速发展，地铁站台施工大多处于城市各区域，尤其是闹市区、经济开发区等地.地铁基坑施工容易产生基坑塌方，引起周边地面沉降甚至引发道路垮塌等不良工程现象[1-3].目前对地铁基坑开挖变形的研究主要集中在对监测资料分析或数值模拟分析上，如叶帅华[4]以兰州市地铁某车站基坑工程为例，研究了其开挖过程中的桩顶位移、地表沉降、钢支撑轴力的监测曲线，证明了钻孔灌注桩联合钢管内支撑结构安全可行；孙建超[5]以西安某地铁基坑为例，运用ABAQUS软件建立该地铁基坑的三维模型，并模拟了基坑开挖过程中的周边地表沉降和围护结构变形特征及变化规律；陈振飞[6]以福州地铁6 号线某段工程为例，通过有限元方法对地铁基坑施工全过程进行了数值模拟，并研究了桩基及基坑施工对地铁盾构隧道的影响，提出了支护的重要性；孙会良[7]以南宁地铁1 号线某站为研究对象，通过结合FLAC 3D 数值模拟及现场监测数据，总结了圆砾地层基坑施工地表变形规律，提出了相关的围护方案以确保基坑稳定和结构安全.

上述研究对地铁基坑开挖的变形研究有了较为丰富的认识，但是如何进行地铁基坑开挖模拟反演以及准确性验证仍需进一步提升.故本文以洛阳市某段地铁基坑为例，采用MIDAS 数值软件进行地铁基坑开挖支护数值模拟，同时结合多个监测数据如桩顶位移、内支撑轴力、地表沉降等进行对比分析，综合研究该段工程数值模拟与监测数据分析的可靠性，为同类工程研究提供借鉴依据.

1 地铁基坑开挖工程概况

1.1 项目概况

洛阳市地铁某站位于西苑路—牡丹广场下方，呈东西向分布，本站为1、3号线换乘站，采用平行换乘.车站为明挖两层岛式（双岛）车站，主体结构基坑由广场负二层基坑和其内部的1、3 号线车站及区间的负二层基坑组成.1 号线区间范围负两层基坑宽约22.5 m，深约10.64～13.26 m；3 号线区间范围负两层基坑宽约16.8 m，深约12.26～14.46 m.基坑支护结构采用钻孔灌注桩+基坑内支撑的结构体系，其中支护桩嵌入土6 m，基坑内支撑分为3 道支撑程序，第一道为钢筋混凝土支撑，间距为9 m；第2 和3 道为钢管支撑，间距为3 m.基坑内支撑施工方案见图1所示.

图1 基坑开挖过程中第一道和第二道内支撑方案图

1.2 工程地质条件概况

根据场区内的勘察报告显示：场地未发现岩溶、崩塌、滑坡、泥石流等不良工程地质现象，站基坑开挖范围地层从上到下依序为杂填土、素填土、粉质黏土、粉细砂、黏土、强风化安山岩、中风化安山岩.车站底板位于黏土层—强风化安山岩层，钻孔灌注桩嵌入中风化安山岩中.地层分布情况见表1所示.

表1 各土层埋深分布表

2 地铁基坑开挖及监测方案设置

2.1 基坑开挖及支护步骤

地铁基坑开挖支护步骤如下：（1）开挖前首先进行井点预降水处理，确保降水深度不超过坑底地下1 m 的位置，以此起到预先加固地基的作用；（2）进行基坑地连墙及桩体施工；（3）工况一，基坑开挖至-1.3 m，进行第一道内支撑支护；（4）工况二，基坑开挖至-5.3 m，进行第二道内支撑支护；（5）工况三，基坑开挖至-9.3 m，进行第三道内支撑支护；（6）工况四，基坑开挖至-13.3 m.

2.2 基坑监测方案布置

为研究基坑开挖支护过程中基坑变形以及对周边地表沉降的影响，本项目基坑检测布置如图2所示，并对桩基以及内支撑轴力等采用自动化监测仪器、对地表变形采用定期人工监测及数据实时处理.图2中所示的J1—J19为基坑降水井分布，用于基坑开挖施工前的预降水处理；Z1—Z14代表地铁车站基坑桩基测斜管，采用固定倾斜仪（型号为MI600）和测斜管（PVC，精度0.6 mm）监测，主要布置在基坑标准段中点、阳角处等平面挠曲值较大的部位；D1—D70 代表基坑周边地表沉降监测点，主要设立在基本周边变形明显处及基坑开挖长边/短边/阳角处.采用高精度物位计（SMSP-500型）与数据采集模块（SMS-CJ40）.

图2 基坑监测布置平面图

为了研究基坑开挖支护前后周边土层开挖规律，同一连线处的地表沉降监测点共同组成一个监测断面.围护结构监测及轴力监测由于设置在基坑开挖内部，故在基坑监测布置图平面图中未进行展示，其具体位置与桩监测点位置类似，主要设置在基坑标准段中点、阳角处等平面挠曲值较大的部位.

3 有限元数值模拟

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX 软件建立基坑开挖数值模型，模型长度和宽度方向各取基坑长宽尺寸的2.0 倍尺寸范围，深度取约3 倍的影响范围，详见图3 所示.在模拟过程中对各土层采取等厚处理，各土层选取评价厚度由上到下依次为①-1杂填土层（厚度约3.0 m）、①-2 素填土层（厚度约3.0 m）、②-1b2粉质黏土层（厚度约4.5 m）、②-2d3细粉砂层（厚度约11.5 m）、②-2e 黏土层（厚度约2.0 m）、③-K1 强风化安山岩（厚度约2.0 m）和③-K2 中风化安山岩（厚度约10.0 m）.模型尺寸长宽高为250 m×75 m×36 m，模型单元平均大小为3 m，共计105417个节点、558233个单元.模型固定底边与前后左右四边约束，其顶面为自由边界面，模型计算前先进行初始地应力平衡后，按上述实际开挖支护工序步骤进行基坑开挖支护模拟.

图3 基坑开挖有限元模型

基坑各地基土的参数根据勘察报告和室内试验确定，具体如表2 所示.支护结构的规格及参数如表3所示.

表2 各土层计算参数表

表3 支护结构规格及参数表

3.2 桩顶水平位移模拟与监测数据对比

选取1 号线与3 号线基坑中部典型断面位置，桩顶处水平位移监测选取Z1、Z2、Z13、Z14、Z5、Z11 六个测点进行分析，其中Z1、Z2 测点位于1 号基坑的最左侧，Z13、Z14 测点位于3 号基坑最右侧，Z5测点位于1号基坑中间位置，Z11测点位于3号基坑中间位置，现对选取6个测点的模拟变化位移值与监测数据进行分析，分析结果如图4—5 所示.

图4 Z1、Z2、Z5桩顶模拟水平位移变化曲线

由图4、图5 可以看出：1 号基坑最左侧Z1、Z2测点与3 号基坑最右侧Z13、Z14 测点的桩顶水平位移累计值的绝对值呈现增大的趋势.与监测数据对比可知，Z1、Z2、Z13、Z14测点的桩顶水平位移累计值的绝对值在监测过程中呈现震荡增大的趋势，其中Z1 点最大位移绝对值达到3.5 mm，Z2 点最大位移绝对值达到3.8 mm，Z13点最大位移绝对值达到8.4 mm，Z14 点最大位移绝对值达到9.0 mm.1号基坑中部Z5测点与3号基坑中部Z11测点的桩顶水平位移累计值的绝对值呈现增大后平稳的趋势；与监测数据对比可知，Z5测点、Z11测点的桩顶处水平位移累计值的绝对值呈现震荡增大后平稳的趋势，Z5 点最大位移绝对值达到15 mm，Z11 点最大位移绝对值达到14.5 mm，该两处监测点桩顶处水平位移在起初基坑开挖初期位移逐渐增大，且向坑内侧偏移，在后期基坑内部施加支撑布置后，水平位移有所减小.

图5 Z11、Z13、Z15桩顶实测水平位移监测曲线

综合对比模拟和实际监测数据后可发现，模拟数据曲线相对比较光滑，而实际监测曲线相对比较震荡变化，其原因是实际施工过程中受到的扰动较多，无法一一在软件中体现，但是整体的变化趋势和数据较为接近，说明模拟达到了实际工况反演的效果.在实际工程施工中应注意减小基坑桩顶水平位移，如避免基坑中部发生大面积堆载等现象.

3.3 围护结构深层水平位移模拟与监测数据对比

选取1号基坑中部的典型断面位置，即标准段中点处围护结构进行分析，选取1号基坑西部正中间测点进行分析，深层水平位移模拟曲线和实测曲线如图6—7所示.

图6 围护结构深层模拟水平位移变化曲线

图7 围护结构深层实测水平位移监测曲线

由图6—7围对比可知：在基坑开挖初期，竖向围护结构水平变形位移沿基坑深度的变化曲线呈现“悬臂式”，围护结构顶部表现出最大水平位移，整体上而言位移变形量较小；随着后期基坑开挖的进行，基坑围护结构深层水平位移逐渐变大，并且在曲线形式上呈现出“弓形”，在竖直方向，围护结构体中部出现较大的水平位移，上下处相对位移较小.同时对比围护结构水平位移模拟值与实测值曲线后，发现两者的曲线变化趋势基本一致，这说明本次数值模拟的结果能够较好地反应地铁基坑工程的实际情况.其中，通过数值模拟发现围护结构的最大水平位移值为17.53 mm，基坑深度约-8.7 m处，而实测围护结构的最大水平位移值为13.85 mm，基坑深度约-10.2 m处，且均发生在工况4阶段，深度约开挖深度2/3 m处.

3.4 支撑轴力模拟与监测数据对比

本次选取1 号基坑和2 号基坑中部的典型断面位置，即标准段中点处第一道内支撑监测点进行分析，其支撑轴力模拟曲线和实测曲线如图8—9所示.

图8 1号基坑支撑轴力模拟与监测值变化曲线

图8 为1 号基坑支撑轴力模拟值与监测值变化曲线，其基坑支撑轴力模拟值要小于实际监测值.因前期支撑布置过程中监测数据未能及时收集，导致部分数据缺失，而数值模拟完全模拟出整个基坑开挖支护过程，故模拟值是从0 点开始增大；但到了后期模拟值和监测值曲线逐渐逼近并都趋于平稳，最终模拟1号基坑支撑轴力稳定值约为3200 kN，实际1 号基坑监测支撑轴力稳定值约为3500 kN，模拟和实际相差8.57%.图9 为3 号基坑支撑轴力模拟值与监测值变化曲线，其变化趋势和图8 较为类似；最终模拟的3 号基坑支撑轴力稳定值约为3000 kN，实际3 号基坑监测支撑轴力稳定值约为3200 kN，模拟和实际相差6.25%.但总体而言3 号基坑后期支撑轴力稳定值要小于1 号基坑后期支撑轴力稳定值，这与基坑开挖尺寸有关，3 号基坑开挖长度要相对小于1 号基坑的开挖长度，故临空压力较小，支撑结构所受的压力也较小.同时模拟值和实际监测值存在一定的偏差，也与实际施工过程中受到的扰动较多，如车流及人流较大、不稳定荷载变化范围不确切等无法一一在软件中体现，但是整体的变化趋势和数据较为接近，说明模拟达到了实际工况反演的效果.

图9 3号基坑支撑轴力模拟与监测值变化曲线

3.5 周边地表沉降模拟与监测数据对比分析

为研究本地铁基坑开挖对周边建筑物的影响，故在基坑开挖周边设置了地表监测孔位，用于实时监测地表变形位移，选取1号基坑长边与短边中部断面处的监测点（D17—D25 与D1—D8）作为分析对象，其模拟曲线与实际监测曲线见图10—11 所示.在基坑开挖初期，引起的周边地表沉降位移值整体较小，沉降曲线近似呈“下三角形”分布，最大位移发生在靠近基坑边缘的部位，距离约3～8 m 范围内；随着基坑深度的不断开挖，基坑周边地表变形量也相应增大，由模拟可知，在工况四下距离基坑壁约7.5 m 发生最大地表变形2.5 mm，而根据实际监测数据在工况四时，距离基坑壁约10.0 m发生最大地表变形2.7 mm，且两者的沉降曲线都大致呈现“凹槽形”分布.

图10 长边中点处周边地表沉降模拟值曲线

图11 长边中点处周边地表沉降监测值曲线

1 号基坑短中部断面处的监测点（D1—D8）数值模拟曲线与实际监测曲线见图12—13 所示.由模拟可知，在工况四时距离基坑壁约10.0 m 发生最大地表变形2.3 mm；而根据实际监测数据可知，在工况四时，距离基坑壁约13.0 m 发生最大地表变形2.2 mm，且两者的沉降曲线都大致呈现“凹槽形”分布.整体上而言，基坑长边的沉降主要影响范围比短边大，且发生的沉降量也大，基坑开挖长边对地表沉降影响范围为3.85 倍开挖深度，基坑开挖短边对地表沉降影响范围为2.67 倍开挖深度，超过后影响很小.

图12 短边中点处周边地表沉降模拟值曲线

图13 短边中点处周边地表沉降监测值曲线

4 结论

本文对洛阳市某地铁基坑施工进行了有限元数值模拟和现场自动化监测，通过对两者的结果进行分析，得出以下结论：

（1）数值模拟得到的曲线较为圆滑，而实际监测曲线由于受到多种外界因素的影响较为震荡变化，桩顶处水平位移在起初基坑开挖初期位移逐渐增大，且向坑内侧偏移，在后期基坑内部施加支撑布置后，水平位移有所减小，最大桩位移主要发生在基坑开挖中部，而阳角处等变形相对较小.

（2）在基坑开挖初期，竖向围护结构水平变形位移沿基坑深度的变化曲线呈现“悬臂式”，在后期曲线呈现出“弓形”，且模拟值与实际值有较好的相似性，最大变形深度约在开挖深度2/3 m处.

（3）在基坑开挖后期基坑支撑轴力逐渐趋于稳定，且开挖宽度越大，基坑支撑轴力也相对越大；同时，在基坑开挖初期，引起的周边地表沉降位移值整体较小，沉降曲线近似呈“下三角形”分布，在开挖后期，沉降曲线近似呈“凹槽形”分布，且基坑长边的沉降主要影响范围比短边大.