复杂环境下超大深基坑开挖变形监测数值模拟研究

王晓健

(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)

基坑的大规模建设将会加大施工风险，而周边区域建筑物及环境较为复杂，导致基坑挖掘深度随之加大。为确保基坑开挖的安全，需在复杂环境条件下进行开挖变形监测数值的模拟。目前的数值模拟研究无法精准获取基坑开挖变形数据，受限于一定的基坑开挖深度，数值模拟的可靠性较差。

利用仿真软件分析地表沉降趋势，并测量最大沉降数值，获取数值变化规律，实现有效数值模拟研究，具有一定设计参考价值。分析基坑开挖全过程信息，着重解析变形规律，并对比模拟数值与实际测量结果，但数值模拟的精准性较低。由此，传统基坑开挖变形监测数值模拟研究未充分考虑基坑挖掘深度环境信息，对于初始数据获取的力度较差，数值模拟结果较差。为此，针对上述问题，本文提出一种新式复杂环境下超大深基坑开挖变形监测数值模拟研究。

本文在有效进行有限元模拟，获取精准开挖模拟数据后根据不同的基坑状态进行模拟分析，进一步提升数值模拟的精准程度，充分考虑复杂环境的影响执行模拟指令，完善模拟程序，具有较为广泛的应用性。

一、工程概况

本文研究的工程为西安地铁八号线工程，该工程主要包括堡子村站以及杨家庄站至堡子村站区间、堡子村站至广泰门站区间等，该区域场地原结构大多为居民房、厂房、苗圃，研究期间此些建筑均拆除，地表建筑垃圾数量较多，且存在建筑基础残留物。地面高程在403.99 m 至407.73 m 之间，地貌属于浐河三级阶地，地势呈现东南高西北低的趋势，地面最大高差为6 m 左右，建筑类别为Ⅱ类，地下抗震结构较强。

二、有限元模拟

1.超大深基坑开挖变形数值监测参数

在对复杂环境下超大深基坑开挖变形监测数值进行模拟研究的初始阶段，需获取监测参数，有效分析不同监测环境下的变形程度[3-4]。本文设置参数提取划分公式：

式中，F为提取参数；L表示土层不同参数；k表示模拟阶段；d为提取时长。

根据区域特征匹配三维模型模拟参数提取流程，按照工程施工所处环境构建土体监测中心点，及时调整参数监测范围，当基坑开挖达到一定深度后收集挖掘数据作为开挖变形监测数据的监测参数。

2.有限元计算模型

根据基坑开挖变形监测参数构建有限元计算模型，固定基坑开挖的影响范围，减少开挖变动对模型结构的影响。确定开挖影响深度为实际开挖深度的5 倍，不计算在影响区域外的基坑土体变形监测数值[5]。为加强基坑开挖变形模拟的有效性，根据实际挖掘的尺寸等比例构建有限元模型，模型的水平方向直角边长为178 m，垂直方向直角边长为95 m，土体深度主要提取前6 层土体厚度作为研究对象，综上构建三维立体模型，基坑三维模型如下图1 所示：

图1 三维模型

其模型公式如下所示：

其中，S（n）为有限元计算模型参数；v为水平方向直角边长；q为垂直方向直角边长；p表示挖掘尺寸参数；e为常数。

按照构建的模型分配计算比率，同时执行内部基坑开挖变形监测指令，在基坑边缘设置有限元计算监测点，完成模型的计算操作[6]。

3.施工步骤模拟

根据建立的有限元模型进行施工步骤模拟处理，利用GTS 模拟基坑开挖过程，具体施工步骤如下所示：

（1）构建基坑土体层次模型，将不同的土层划分为相应的网格区，在网格内部设置土体位移边界条件参数。

（2）平衡基坑围护内部初始应力数值，将土体位置数据清零。

（3）根据基坑开挖的程序依次执行挖掘指令，直至完成挖掘工程。按照施工步骤设置模拟施工方程式：

式中，Eα表示为模拟施工参数；D表示为维护初始应力；Qm,n为网格区域数据；Qm,n表示边界条件参数。

当完成全部施工模拟后，加强对施工模拟收录数值的整体分析，完成施工步骤模拟操作[7-8]。

三、基坑数值模拟

1.基坑形变模拟

由于基坑在开挖的过程中将产生不同程度的边坡塌陷问题，为确保整体研究安全性，分析基坑边护的位移状况，同时匹配模拟参数信息，在网格计算区域内部构建形变模拟中心参数，对应不同的开挖过程设置形变模型公式：

式中，O为形变参数；Zt为基坑边缘土体结构数据；为基坑开挖平均深度；σ为位移条件参数。

根据获取的形变参数确定网格结构单元的位置，匹配基坑挖掘预应力数值，在水平方向测量位移的最大值，控制基坑外部的土体位移变化，当基坑周边土体位移趋于稳定后将土体位移数值转化为土体变形程度数据，进而获取所需的基坑形变模拟参数，达到形变模拟的目的[9-10]。

2.基坑应力模拟

为有效分析基坑开挖过程中的不同方向土体形变影响，在进行数值模拟的同时研究应力等值线的大小程度，根据应力大小判断不同区域的基坑支护结构参数，提高基坑数值模拟研究的可靠性[11-12]。根据应力数值集中加强对应力较大区域的基坑土体的管理，重点监控该区域的形变程度。在基坑开挖边缘区域设置应力感应装置，当应力超出研究范围后，感应装置将自动发出预警信号，避免应力过大导致模拟结果不准确[13-14]。

调整应力监测点位置，应力监测点位置调整表达式如下：

式中，H为调整参数；r表示基坑形变程度；d为调整范围圆弧直径；l为基坑模拟高度；a表示支护结构参数；sinθ为监测角度三角函数；i为监测距离。按照调整后的监测点计算应力数值，完善基坑中心区域应力信息，实现基坑应力模拟。

将之前模拟的基坑数值进行平稳性分析，判断分析的数值是否为常数。利用数列调节数值模拟的流程，并根据挖掘的时间间隔预测整体模拟程序[15]。确定模拟模型的执行条件，解析在不同变化状态下的模拟流程匹配原则，随机抽取模拟路径，按照路径信息加强对参数的估计处理，设置数据参数估计方程式：

其中，G表示参数估计数值；c表示模型执行条件参数；tb为模拟流程匹配原则；γ为估计状态。

根据估计的模拟参数获取数值模拟的最佳阶数，按照时序模型的数据处理准则分配模拟流程任务，在规定的开挖时间内调整模拟次序，结合时间序列管理收集的流程参数，计算自相关函数的估计数值，标准化处理协方差参数，精准匹配估计量数据，并验证流程假设，若假设成立，则完成流程建设。

四、计算结果分析

根据上述模拟情况，选用西安地铁八号线工程进行施工研究，得到的施工工况如下表1 所示：

表1 施工工况

对上述施工工况进行监测，分析监测数据。

1.监测数据计算结果

（1）基坑围护结构数据变化分析

根据图2 可知，随着基坑开挖深度的加大，围护结构变化的程度不断加大，其变化路线主要由桩头位置向桩身位置变化。当基坑挖至底层，围护结构变化的最大数值基本稳定在围护墙身12m 左右的位置。该变化图能够明显展示基坑在复杂环境下的开挖变形状态。

图2 基坑围护结构数据变化分析结果

（2）基坑外部地表土体变化分析

按照实际挖掘的情况提取模拟对象目标范围内的模型土体，并固定土体研究方向。对基坑开挖后的数值模拟模型变化图进行分析，如图3 所示：

图3 基坑开挖后数值模拟模型变化

根据上图信息可知，当基坑开挖到底层时，基坑外部地表土体变化达到最大值，变化中心由挖掘边缘向外侧移动，最终呈现较为稳定的变化趋势，变化的影响范围主要在距离基坑开挖区域15m 的位置。

（3）基坑围护受力状况分析

提取开挖基坑围护结构板数据，其具体状况如图3 所示：

根据图4 可知，在超大深基坑开挖的同时，围护外墙与其内部支撑区域连接点为应力集中点。基坑围护的受力区域主要位于第3、4 两道内部支撑区域，造成此种现象的主要原因在于随基坑开挖深度的增大，初始位置的围护支撑与后侧围护板支撑之间的距离相对较大，基坑土体压力过大。

图4 基坑围护受力状况分析

2.监测数据模拟分析

（1）水平位移分析

根据监测的数据分析其水平位移状况，设置相应的水平位移数据监测点，并在监测点中心安装位移数据感应装置，时刻记录土体的位移程度，控制基坑开挖方向，集中处理距离基坑开挖施工较近的土体位移情况。图5 为数据水平位移监测点的实际测量数值与模拟数值对比示意图。

图5 实际测量数值与模拟数值对比示意图

由图5 可知：

①随着基坑开挖的深度的加大，实际数值与模拟数值均具备上下方数值较小，中间数值较大的规律，该结果表明基坑的表层能够有效避免上层数据的位移。

②随着基坑内部土体变形程度的加深，监测区域土体所受的压力不断增加，导致其位移加大，该情况表明相同深度的土体变形程度对监测区域数据位移影响较为显著。

③监测数据的最大位移数值处于基坑开挖面周边区域。根据以上结果分析可以得出，本文构建的数值模拟分析能够较好的预测基坑开挖过程中的变形数据的状态，能够有效加强对基坑开挖设计的分析力度，进一步提升整体基坑挖掘的安全性。

（2）沉降监测和隆起监测

进一步模拟监测区域的地表沉降情况，监测土体沉降及隆起数值。图6 为沉降监测与隆起监测结果图：

图6 沉降监测与隆起监测结果

由图6 可以看出，基坑开挖变形区域地表沉降在距离挖掘区域相应位置处生成沉降槽，地表沉降随基坑开挖距离的增加而产生由大到小的规律，当开挖的距离较远时，可自行忽略变形区域地表沉降数据。

实际测量的地表沉降测线如图7 所示：

图7 地表沉降测线

将该结果数据与图5 结果数据进行对比得出，本文数值模拟所获取的沉降结果与实际测量的沉降结果在数据变化状态与数量上大体相同。

由于变形区域地表沉降同样存在较强的空间效应，在进行沉降与隆起监测的过程中，对比基坑开挖边缘的变形程度，检验不同区域点的沉降数值，隔断处理基坑开挖土体，提升基坑土体刚度，减少无关因素对数值模拟的影响。

（3）与实测结果对比

将最终计算的模拟数值与实际测量的数值进行对比，其对比结果如图8 与图9 所示。对比结果能够有效揭示在复杂环境下的超大深基坑在开挖情况下的时空效应。

图8 基坑水平位移

图9 沉降位移

由图9 可知，本文数值模拟得出的数据与实际测量的数据之间的差异较小，基坑开挖变形的规律趋于一致，表明数值模拟结果较为精准。

将图8 中模拟的数值与实际测量的数值进行对比得知，基坑开挖变形的最大数值位于距离桩体深度10 m 的位置，该现象表明基坑内部土体变形主要集中在第3 道围护内部支撑中。

图9 表明基坑在开挖的过程中周围区域土体不断蠕动，其内部土体沉降最为显著的位置位于距离基坑边缘10 m 的区域内。

从整体上看，实际测量的数值相对于本文数值模拟的结果较大，该现象的主要原因在于，在进行数值模拟的过程中未充分考虑施工场地附加条件对整体模拟的影响，当施工中的基坑开挖深度过大时，将会导致较为明显的基坑时空效应，进而加大开挖的形变程度。

本文深入分析复杂环境下超大深基坑开挖变形监测数值模拟研究，并获得如下结论：

（1）本文在进行变形数值模拟的过程中充分考虑挖掘场地周边环境对变形测量结果的影响，分析导致渗流变化的因素，并加强对基坑周边土体位移数据的处理力度，提高监测的精准性，完善数据优化操作。

（2）在工程开挖的同时匹配环境监测数据，减少无关因素的影响，构建基坑围护加固支撑体系，进一步增强对基坑开挖施工的控制，避免数值的提取失误，集中处理位于基坑开挖有效区域内的变形数据，提升整体监测效率，重视后期数值监测与模拟操作，实现高效模拟研究。

综上所述，本文研究的数值模拟方法能够有效预测基坑开挖变形状况，但在实际模拟的过程中仍存在些许不足之处：

（1）由于实际施工中将产生各种不可抗因素，在数值模拟的过程中未充分研究不同开挖强度以及内部支撑力度的影响，为此，在后续操作中需加强对模拟场景的施工处理，增强数值模拟的可靠性。

（2）在模拟的同时匹配环境参数，进一步提升模拟的准确性。