地铁车站基坑开挖变形数值模拟与监测结果分析

薛珏

摘要：以某地铁车站深基坑为研究对象，通过数值软件建立三维基坑模型，对施工过程中地铁车站的围护结构侧移和基坑沉降进行研究。同时，将数值结果与现场实测结果进行对比，获得了围护结构水平变形规律和基坑沉降规律。研究表明，基坑围护桩水平位移沿着桩体埋深方向先增大，并在0.55倍最大开挖深度时达到最大值，随后迅速减小直至趋于稳定，围护桩水平变化总体呈“弓”形分布。此外，基坑沉降量的变化与基坑距离大小存在一定的相关性，随基坑距离的增大大致呈现类抛物线分布，并基本在0.6倍基坑开挖深度时，沉降量最大。

关键词：地铁车站基坑；数值模拟；软土地基；沉降变形

0   引言

软土具有很弱的固结性和可压缩性，其承载能力很低，因此当地铁车站在软土地基上进行开挖时，会使软土产生很大的变形和压缩。这些变形和压缩会引起地面沉降、地面裂缝、建筑物的倾斜等问题，严重影响地铁车站的安全和使用[3]。因此，对软土地基开挖变形理论的研究对于地铁车站的设计、施工和使用具有非常重要的意义。

目前，针对软土地基开挖变形理论研究方面，不少学者已经做出了很多有价值的探索和研究[4]。在土体力学性质方面，一般借助直剪仪、全自动三轴仪等相关设备，通过强度试验研究软土的力学性质，为开挖变形的研究提供基础数据和理论支持[5]。在地下结构相互作用方面，主要通过数值模拟和实验研究地下结构与软土地基之间的相互作用，分析地下结构与软土地基之间的相互作用机理，以便制定相应的开挖方案和防治措施，减少地下结构对软土地基开挖变形的影响[6]。

不少研究成果已经被广泛应用于地铁车站的建设和使用，但目前的研究多数是针对单一因素的研究[7]，对于多因素共同作用的情况研究还不够充分，难以满足地铁车站基坑开挖的安全性要求和可持续使用[8]。

基于此，本文以某地地铁车站深基坑为背景，借助仿真模拟软件，对深基坑的变形与沉降进行计算，并与其在实际工程中支护和开挖过程中的监测数据进行对比分析，以为软土深基坑的安全开挖与建设提供一定的指导。

1   工程概况

本文所研究的地铁车站基坑位于某市滨湖区域，当地地势总体较为平坦，其中北部为丘陵地貌，南部为平原地貌，地表高程平均为4.1m左右。

根据勘察设计报告提供的地勘报告显示，研究场地中土体类型主要以杂填土和粉质黏土为主，且未发现以淤泥质土为主的软弱下卧层，总体土质相对较好。

车站基坑长198m，宽15m，开挖深度在15～20m。根据现场勘察资料显示，该基坑工程的地下水主要为孔隙水和裂隙水，地下水的平均水位埋深约为0.9m，其平均标高约为2.41m。其中该场地主要岩土体的物理性质如表1所示。

在标准段中，基坑的宽度在15～17.4m范围内，其深度在15.4～19.6m范围内。其主体的维护结构主要采用钻孔灌注桩，并设置支撑于纵向。自上而下第一道支撑为混凝土支撑，其参数为600mm×800mm。在混凝土支撑的局部设置斜撑，斜撑大小为400mm×400mm。第二道和第三道支撑为钢管撑，规格为Ф609，厚度为16mm，钢支撑的水平布设间距为3m。

2   基坑开挖变形数值模拟

2.1   建立模型

采用某仿真模拟软件，建立了基坑三维计算模型。模型土层的本构模型采用MC模型，各支撑结构设置为弹性结构，根据Saint Venants 原则，将模型尺寸设置为400m×75m×60m，模型共计10542个单元和9584个节点。

2.2   基坑監测点布置

为了获取该地铁车站基坑的实际变形及沉降结果，对基坑分别进行围护桩水平位移和周边地表沉降量监测。分别在基坑西侧端头和北侧布设两个围护桩水平位移监测点CX1和CX7，并在西侧和南侧区域的基坑外围，每隔5m布设一个沉降量监测点。其中CJ1-CJ7布设在南侧，CJ8-CJ14布设在西侧，共计14个沉降量监测点。

通过各监测点，对施工开挖期间中的4种工况下产生的沉降量进行不间断监测。其中工况1为地表土开挖至地下2.1m处，包含第一道混凝土支撑浇筑阶段；工况2为第二层土开挖至地下7.2m处，包含第二层钢支撑施工阶段；工况3为第三层土开挖至地下12.2m处，包含第三层钢支撑施工阶段；工况4为第四层土开挖至地下18m处，包含底板浇筑阶段。

2.3   监测方法

本文对于所研究地铁车站基坑变形量，主要通过水平位移和基坑底部的竖向沉降所反映。对于基坑水平位移监测，本文采用GN-1A式固定测斜仪进行测量。

根据GB/T 50308-2017《城市轨道交通工程测量规范》，对所布设的水平位移监测点CX1和CX7，分别在地下2.1m、7.2m、12.2m和18m位置处进行水平位移监测。

在测斜管埋设完毕后，每隔1d对测斜仪进行观测记录，观测持续135d。对于基坑沉降的监测，采用徕卡NA3002/3003型电子水准仪进行。依照《城市轨道交通工程测量规范》，对于设置的沉降监测点采取闭合回路测量的方法，依托控制点进行测量。沉降量监测主要围绕与基坑边缘的距离进行，其中重点监测时间段为4种工况开挖和施工结束阶段，并每隔1d对所设置的沉降点进行监测记录。

3   实际监测结果分析

3.1   围护结构水平位移监测

对基坑西侧端头和北侧布设两个围护桩水平位移监测点CX1和CX7，进行持续135d的监测，其中每个每隔30d分析一次桩体深度与水平位移的变化，围护结构水平位移监测结果如图1所示。

从图1可以看出，随着基坑的持续开挖，沿桩身竖直向下方向上水平位移的变化均呈现出两端小，中间大的特征，总体呈弓形分布，此特征与文献[5]所测得的围护结构水平位移相似。此外两个测点桩体的最大水平位移基本出现在桩体10m埋深处，其出现位置约为0.55倍的最大开挖深度。CX1和CX7的最大水平位移分别为12mm和8mm，分别约为最大开挖深度的0.667‰和0.333‰。同文献[5]的软土基坑相比，本文研究的车站基坑最大水平位移均偏小，表明该基坑的支护结构具备较高的稳定性，且前期的降水措施有效降低了地下水对基坑支护结构地影响。

3.2   不同开挖工况下的基坑周边沉降监测

分别对西侧布设的CJ8-CJ14沉降监测点和南侧区域布设的CJ1-CJ7沉降监测点，在不同工况下的沉降量进行监测，得到基坑周边沉降如图2所示。

从图2可以看出，基坑西侧测点和南侧测点的周边沉降变化趋势较为相似，均表现为随着基坑距离的增大，沉降量先增大之后不断减小，由基坑开挖造成的地表沉降范围大致在2倍的最大开挖的深度左右。

两侧测点在不同工况下沉降的最大值均出现在距基坑10m处，但其中南侧测点的最大沉降为9.8mm，而西侧测点的最大沉降量为10.8mm。其中最大沉降点距基坑位置约为0.6倍的最大开挖深度，而最大沉降量约为最大开挖深度的0.6‰，表明研究区域的沉降较小。其可能原因在于，该区域在基坑的开挖过程中，底部岩层变形量较小且变形缓慢。

3.3   CX1和CX7测点模拟值与实测值对比

为了对模型的合理性和基坑开挖变形预测的可行性进行研究，采用建立的基坑三维计算模型，对4种工况下CX1和CX7位置的围护桩墙不同埋深下的水平位移进行计算，并将计算结果与4种工况下的实际监测值进行对比。CX1和CX7测点模拟值与实测值对比如图3所示。

根据图3所反映的结果可以发现，CX1和CX7模拟计算得到的围护结构水平位移，随着桩身的埋深增加，水平位移呈现出先增大后减小的趋势，该变化趋势同实际监测得到的趋势相同。

通过对比CX1和CX7的计算值和模拟值可以看出，模拟值和实测值的变化特征也趋近一致，同种工况下，围护结构水平位移的数值变化相差也不大，且最大位移均出现在10m埋深处，实测值与模拟值的最大水平位移均出现在0.55倍的最大开挖深度位置。由此表明，本文建立的数值模型对于该软土区域基坑开挖期间水平位移的计算存在一定的可行性和合理性。

3.4   CJ1至CJ14沉降测点模擬值与实测值对比

为了进一步验证数值模型在沉降计算方面的可行性，采用同样的方法，对基坑南侧和西侧CJ1至CJ14测点位置处的基坑周边沉降量进行计算和对比。CJ1-CJ14沉降测点模拟值与实测值对比如图4所示。

从图4可以看出，南侧沉降点CJ1至CJ7和西侧沉降点CJ8至CJ14的实测值和模拟值变化特征也趋近一致，且随着距离基坑边缘距离的增加，各点沉降量的数值变化也与实测结果相差也不大。同前文实际监测结果一致，最大沉降量量均出现在距离基坑边缘10m的测点处，实测值与模拟值的沉降基本均出现在0.6倍的最大开挖深度位置。对比文献[6]中得到的某滨海区域最大沉降点，发生于1倍的最大开挖深度位置，二者产生较大差异的可能原因，在于所研究区域地下水的富水程度不同。

4   结束语

地铁车站基坑围护桩的水平位移随着桩体埋深的增加，呈现出先增大后减小的弓形变化趋势，且最大水平位移出现在0.55倍的最大开挖深度位置。

地铁车站基坑周边的沉降量随着距基坑位置的增大呈现出先增大后减小的趋势，且最大沉降量出现在0.6倍的最大开挖深度位置。

通过对比实际监测结果，本文建立的基坑计算模型具备较高的精确度。基坑底部土体富水程度的不同会影响最大沉降点的位置，富水程度越大的土体，基坑的最大沉降点相对越深。

参考文献

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