苏州某地铁基坑工程变形监测与数值模拟分析

钱洋新 刘优平 李雨希 张恭平

（南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西 南昌 330099）

0 引言

随着经济的飞速发展，越来越多的城市为了能够满足人们的出行需求以及适应经济的快速发展，都在不断地开展地铁建设。地铁一般都是建在城市人口流量较多以及对整个城市经济发展非常重要的地方，工期也十分紧迫。并且基坑工程也涉及力学、地质学、施工以及监测等各个领域，是一个综合性非常强的学科[1]。要保障地铁基坑工程施工的安全，对其进行施工监测是非常有必要的。国内在基坑的监测上做了不少的研究，曹浪[2]等用数值模拟的方法对超深基坑进行分析，研究了预加固技术和后加固技术对基坑变形的影响，为后续超深基坑工程提供了参考。金生吉[3]等通过埋设传感器元件对超深基坑进行实时监测，对所得到的数据结果进行了详细的分析。杨睿[4]等为研究基坑对周围环境的影响，对西安某地铁基坑工程进行监测分析。任俊勇[5]通过有限元软件对基坑整个施工过程进行了模拟，分析各个施工阶段的变形机理。宋诗文[6]通过优化基坑支护形式，与设计的施工方案进行对比，并进行施工监测，给出优化施工方案。所以针对基坑所需要进行监测的内容要加以分析，并对其相应的变形规律给出需要改进的方案以及建议，才能够保障基坑安全的施工[7-10]。综上所述，对地铁基坑的开挖施工建设进行监测是非常有必要的，可以通过对数据的监测分析来指导施工，确保工程的安全性。

本文结合苏州某地铁站的基坑工程，对实际监测数据进行整理，绘制出了变形图，并对其变化情况加以分析，同时用有限元软件对其进行施工模拟，将模拟结果与实际监测结果进行比较，对该基坑工程的安全性进行分析，为其施工建设提供经验参考。

1 工程概况

该地铁站位于苏州市。它的长度为209 m，标准段宽度为19.1 m，站台宽度11 m，采用两层单柱双跨框架结构。有效站台中心里程处底板埋深约为11.64 m，车站采用明挖顺作法施工。整个基坑采用地下连续墙、角板撑、砼支撑及钢支撑的围护形式，围护结构第一道支撑采用截面尺寸为600 mm×600 mm 的砼支撑，冠梁截面尺寸为800 mm×800 mm；冠梁、砼支撑均采用C30 混凝土，挡土墙厚为800 mm，第二道支撑为钢支撑。

本项目工程监测等级的划分主要依据GB50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》来实施[11]。其围护结构部分监测点布置如图1 所示。

图1 基坑围护结构部分监测点图

3 有限元模型建立

3.1 模型的材料参数选取

根据详细的地勘资料分析，将该项目的土层从上而下分为6 层，均采用修正莫尔库伦模型类型，其详细的土层参数如表1 所示。

表1 各土层主要的物理力学性质

混凝土支撑梁、钢支撑梁、冠梁及围檩所用的材料均选择弹性本构模型。其物理力学参数如表2 所示。

表2 围护结构材料物理力学性质

2.2 有限元模型的建立

本项目采用岩土专用有限元软件Midas GTS NX，考虑基坑开挖对周围土体的影响范围，将模型的边界宽度设置为2.5 倍的基坑开挖深度，模型的整体大小为270 m×80 m×32 m，土体及其地下连续墙采用实体单元，根据各土层的参数以及结构的物理力学性质，为使该模型在建立过程中不出现自由面，能够得到耦合，用有限元软件的混合网格生成器进行网格划分，共生成节点53 118 个，单元73 135 个，其有限元模型及围护结构模型如图2 所示。

图2 车站及其围护结构有限元模型

3 模拟方案及其结果分析

3.1 施工过程模拟分析

根据该车站的施工步骤情况，将该模型进行施工模拟，地铁基坑开挖深度为12 m，共采取5 个施工工况步骤。具体参数如表3 所示。

表3 工况步骤

3.2 围护结构深层水平位移分析

图3 为测点ZQT16 围护墙体通过模拟与实际监测得出来的变形曲线图，通过该图可以得知，其地下连续墙的深层水平位移的模拟曲线与实测曲线不一样，但其变化趋势是一致的，这就表明了使用有限元软件的数值模拟方法在反映实际地铁基坑施工中的情况，具有一定的参考性，设计的围护结构的深层水平位移最大的数值分别是8.3 mm 和9.7 mm，分别是实际基坑开挖深度的0.069%和0.08%，都低于实际设计的最大安全容许位移数值30 mm，二者均满足了安全的要求。模拟曲线和实际曲线的最大水平位移深度值大约是9 m，均在实际开挖深度的2/3 左右。在开挖的整个过程中，整个围护墙都向基坑内测发生水平位移，且位移曲线是中间大两头小的特征，属于是“弓”形的变形趋势。

3.3 周边地表沉降分析

周边地表沉降分析选择标准段的中间测点DBC16 进行分析，通过其模拟结果得出的变化趋势与实际监测结果变化图如图4 所示。

图4 长边中部测点DBC16 周边地表沉降位移

根据图形显示可知，在基坑的开挖初期时，其围护结构的周边地表沉降量较小，随着基坑的深度开挖，周边地表的沉降呈现“三角形”的变形趋势，并且其最大沉降量的位置随着基坑的施工进行离基坑也越来越远，当达到最大值时，它的沉降数值才慢慢变小。同时通过变化曲线可知，两种方式所得出的结果显示变化趋势大致一样，其最大的沉降量分别为4.3 mm、5.5 mm，分别占开挖深度的0.036%和0.046%，都低于容许最大变化值30 mm，在距离基坑8.5 m 左右，其地表的沉降值达到最大。同时通过变化曲线可知，距离基坑边缘大致0～20 m（1.6H）左右，其周边地表沉降为受基坑开挖的主要影响区，超过30 m 的范围地表沉降受基坑开挖的影响较小。所以，整个施工过程中，在保证安全以及质量的前提下，工期不宜过长，要时刻监测地表的沉降变化，避免造成施工事故。

4 结语

该文通过使用有限元软件Midas GTS NX 对苏州某地铁站点基坑进行了施工模拟，对该站基坑的围护结构变化进行了模拟分析，并与工程实际结果进行了对比分析，得到如下结果：

（1）通过有限元得出的模拟结果与实际监测所得出的结果其变形趋势大致相同，说明通过有限元模拟来反应基坑施工的变化，有一定的参考价值，并且指导了该基坑的施工。

（2）在基坑开挖的过程中，其围护结构的墙体深层水平位移呈现“弓”形的特征，在基坑开挖深度的2/3 处左右，其变形位移最大。

（3）在基坑开挖的过程中，其周边地表的沉降呈现“三角形”的变化趋势，并且在距基坑大致8.5 m 的距离，它的沉降量达到最大。

（4）基坑的标准段长边中点所受的弯矩最大，并且容易受施工车辆的荷载、天气，施工工期的影响，所以应特别注意此处围护结构的变形以及地表沉降的变化情况，确保其安全性。