鄧海濤

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

0 引言

近年來，由于城市交通的快速發(fā)展，地鐵站臺(tái)施工大多處于城市各區(qū)域，尤其是鬧市區(qū)、經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)等地.地鐵基坑施工容易產(chǎn)生基坑塌方，引起周邊地面沉降甚至引發(fā)道路垮塌等不良工程現(xiàn)象[1-3].目前對(duì)地鐵基坑開挖變形的研究主要集中在對(duì)監(jiān)測(cè)資料分析或數(shù)值模擬分析上，如葉帥華[4]以蘭州市地鐵某車站基坑工程為例，研究了其開挖過程中的樁頂位移、地表沉降、鋼支撐軸力的監(jiān)測(cè)曲線，證明了鉆孔灌注樁聯(lián)合鋼管內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)安全可行；孫建超[5]以西安某地鐵基坑為例，運(yùn)用ABAQUS軟件建立該地鐵基坑的三維模型，并模擬了基坑開挖過程中的周邊地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征及變化規(guī)律；陳振飛[6]以福州地鐵6 號(hào)線某段工程為例，通過有限元方法對(duì)地鐵基坑施工全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并研究了樁基及基坑施工對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道的影響，提出了支護(hù)的重要性；孫會(huì)良[7]以南寧地鐵1 號(hào)線某站為研究對(duì)象，通過結(jié)合FLAC 3D 數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)了圓礫地層基坑施工地表變形規(guī)律，提出了相關(guān)的圍護(hù)方案以確?；臃€(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全.

上述研究對(duì)地鐵基坑開挖的變形研究有了較為豐富的認(rèn)識(shí)，但是如何進(jìn)行地鐵基坑開挖模擬反演以及準(zhǔn)確性驗(yàn)證仍需進(jìn)一步提升.故本文以洛陽市某段地鐵基坑為例，采用MIDAS 數(shù)值軟件進(jìn)行地鐵基坑開挖支護(hù)數(shù)值模擬，同時(shí)結(jié)合多個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如樁頂位移、內(nèi)支撐軸力、地表沉降等進(jìn)行對(duì)比分析，綜合研究該段工程數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的可靠性，為同類工程研究提供借鑒依據(jù).

1 地鐵基坑開挖工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

洛陽市地鐵某站位于西苑路—牡丹廣場(chǎng)下方，呈東西向分布，本站為1、3號(hào)線換乘站，采用平行換乘.車站為明挖兩層島式（雙島）車站，主體結(jié)構(gòu)基坑由廣場(chǎng)負(fù)二層基坑和其內(nèi)部的1、3 號(hào)線車站及區(qū)間的負(fù)二層基坑組成.1 號(hào)線區(qū)間范圍負(fù)兩層基坑寬約22.5 m，深約10.64～13.26 m；3 號(hào)線區(qū)間范圍負(fù)兩層基坑寬約16.8 m，深約12.26～14.46 m.基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+基坑內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)體系，其中支護(hù)樁嵌入土6 m，基坑內(nèi)支撐分為3 道支撐程序，第一道為鋼筋混凝土支撐，間距為9 m；第2 和3 道為鋼管支撐，間距為3 m.基坑內(nèi)支撐施工方案見圖1所示.

圖1 基坑開挖過程中第一道和第二道內(nèi)支撐方案圖

1.2 工程地質(zhì)條件概況

根據(jù)場(chǎng)區(qū)內(nèi)的勘察報(bào)告顯示：場(chǎng)地未發(fā)現(xiàn)巖溶、崩塌、滑坡、泥石流等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，站基坑開挖范圍地層從上到下依序?yàn)殡s填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、黏土、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、中風(fēng)化安山巖.車站底板位于黏土層—強(qiáng)風(fēng)化安山巖層，鉆孔灌注樁嵌入中風(fēng)化安山巖中.地層分布情況見表1所示.

表1 各土層埋深分布表

2 地鐵基坑開挖及監(jiān)測(cè)方案設(shè)置

2.1 基坑開挖及支護(hù)步驟

地鐵基坑開挖支護(hù)步驟如下：（1）開挖前首先進(jìn)行井點(diǎn)預(yù)降水處理，確保降水深度不超過坑底地下1 m 的位置，以此起到預(yù)先加固地基的作用；（2）進(jìn)行基坑地連墻及樁體施工；（3）工況一，基坑開挖至-1.3 m，進(jìn)行第一道內(nèi)支撐支護(hù)；（4）工況二，基坑開挖至-5.3 m，進(jìn)行第二道內(nèi)支撐支護(hù)；（5）工況三，基坑開挖至-9.3 m，進(jìn)行第三道內(nèi)支撐支護(hù)；（6）工況四，基坑開挖至-13.3 m.

2.2 基坑監(jiān)測(cè)方案布置

為研究基坑開挖支護(hù)過程中基坑變形以及對(duì)周邊地表沉降的影響，本項(xiàng)目基坑檢測(cè)布置如圖2所示，并對(duì)樁基以及內(nèi)支撐軸力等采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器、對(duì)地表變形采用定期人工監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理.圖2中所示的J1—J19為基坑降水井分布，用于基坑開挖施工前的預(yù)降水處理；Z1—Z14代表地鐵車站基坑樁基測(cè)斜管，采用固定傾斜儀（型號(hào)為MI600）和測(cè)斜管（PVC，精度0.6 mm）監(jiān)測(cè)，主要布置在基坑標(biāo)準(zhǔn)段中點(diǎn)、陽角處等平面撓曲值較大的部位；D1—D70 代表基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要設(shè)立在基本周邊變形明顯處及基坑開挖長(zhǎng)邊/短邊/陽角處.采用高精度物位計(jì)（SMSP-500型）與數(shù)據(jù)采集模塊（SMS-CJ40）.

圖2 基坑監(jiān)測(cè)布置平面圖

為了研究基坑開挖支護(hù)前后周邊土層開挖規(guī)律，同一連線處的地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共同組成一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面.圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)及軸力監(jiān)測(cè)由于設(shè)置在基坑開挖內(nèi)部，故在基坑監(jiān)測(cè)布置圖平面圖中未進(jìn)行展示，其具體位置與樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置類似，主要設(shè)置在基坑標(biāo)準(zhǔn)段中點(diǎn)、陽角處等平面撓曲值較大的部位.

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX 軟件建立基坑開挖數(shù)值模型，模型長(zhǎng)度和寬度方向各取基坑長(zhǎng)寬尺寸的2.0 倍尺寸范圍，深度取約3 倍的影響范圍，詳見圖3 所示.在模擬過程中對(duì)各土層采取等厚處理，各土層選取評(píng)價(jià)厚度由上到下依次為①-1雜填土層（厚度約3.0 m）、①-2 素填土層（厚度約3.0 m）、②-1b2粉質(zhì)黏土層（厚度約4.5 m）、②-2d3細(xì)粉砂層（厚度約11.5 m）、②-2e 黏土層（厚度約2.0 m）、③-K1 強(qiáng)風(fēng)化安山巖（厚度約2.0 m）和③-K2 中風(fēng)化安山巖（厚度約10.0 m）.模型尺寸長(zhǎng)寬高為250 m×75 m×36 m，模型單元平均大小為3 m，共計(jì)105417個(gè)節(jié)點(diǎn)、558233個(gè)單元.模型固定底邊與前后左右四邊約束，其頂面為自由邊界面，模型計(jì)算前先進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡后，按上述實(shí)際開挖支護(hù)工序步驟進(jìn)行基坑開挖支護(hù)模擬.

圖3 基坑開挖有限元模型

基坑各地基土的參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)確定，具體如表2 所示.支護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)格及參數(shù)如表3所示.

表2 各土層計(jì)算參數(shù)表

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)規(guī)格及參數(shù)表

3.2 樁頂水平位移模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

選取1 號(hào)線與3 號(hào)線基坑中部典型斷面位置，樁頂處水平位移監(jiān)測(cè)選取Z1、Z2、Z13、Z14、Z5、Z11 六個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，其中Z1、Z2 測(cè)點(diǎn)位于1 號(hào)基坑的最左側(cè)，Z13、Z14 測(cè)點(diǎn)位于3 號(hào)基坑最右側(cè)，Z5測(cè)點(diǎn)位于1號(hào)基坑中間位置，Z11測(cè)點(diǎn)位于3號(hào)基坑中間位置，現(xiàn)對(duì)選取6個(gè)測(cè)點(diǎn)的模擬變化位移值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4—5 所示.

圖4 Z1、Z2、Z5樁頂模擬水平位移變化曲線

由圖4、圖5 可以看出：1 號(hào)基坑最左側(cè)Z1、Z2測(cè)點(diǎn)與3 號(hào)基坑最右側(cè)Z13、Z14 測(cè)點(diǎn)的樁頂水平位移累計(jì)值的絕對(duì)值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì).與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，Z1、Z2、Z13、Z14測(cè)點(diǎn)的樁頂水平位移累計(jì)值的絕對(duì)值在監(jiān)測(cè)過程中呈現(xiàn)震蕩增大的趨勢(shì)，其中Z1 點(diǎn)最大位移絕對(duì)值達(dá)到3.5 mm，Z2 點(diǎn)最大位移絕對(duì)值達(dá)到3.8 mm，Z13點(diǎn)最大位移絕對(duì)值達(dá)到8.4 mm，Z14 點(diǎn)最大位移絕對(duì)值達(dá)到9.0 mm.1號(hào)基坑中部Z5測(cè)點(diǎn)與3號(hào)基坑中部Z11測(cè)點(diǎn)的樁頂水平位移累計(jì)值的絕對(duì)值呈現(xiàn)增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)；與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，Z5測(cè)點(diǎn)、Z11測(cè)點(diǎn)的樁頂處水平位移累計(jì)值的絕對(duì)值呈現(xiàn)震蕩增大后平穩(wěn)的趨勢(shì)，Z5 點(diǎn)最大位移絕對(duì)值達(dá)到15 mm，Z11 點(diǎn)最大位移絕對(duì)值達(dá)到14.5 mm，該兩處監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂處水平位移在起初基坑開挖初期位移逐漸增大，且向坑內(nèi)側(cè)偏移，在后期基坑內(nèi)部施加支撐布置后，水平位移有所減小.

圖5 Z11、Z13、Z15樁頂實(shí)測(cè)水平位移監(jiān)測(cè)曲線

綜合對(duì)比模擬和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后可發(fā)現(xiàn)，模擬數(shù)據(jù)曲線相對(duì)比較光滑，而實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線相對(duì)比較震蕩變化，其原因是實(shí)際施工過程中受到的擾動(dòng)較多，無法一一在軟件中體現(xiàn)，但是整體的變化趨勢(shì)和數(shù)據(jù)較為接近，說明模擬達(dá)到了實(shí)際工況反演的效果.在實(shí)際工程施工中應(yīng)注意減小基坑樁頂水平位移，如避免基坑中部發(fā)生大面積堆載等現(xiàn)象.

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

選取1號(hào)基坑中部的典型斷面位置，即標(biāo)準(zhǔn)段中點(diǎn)處圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選取1號(hào)基坑西部正中間測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，深層水平位移模擬曲線和實(shí)測(cè)曲線如圖6—7所示.

圖6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層模擬水平位移變化曲線

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層實(shí)測(cè)水平位移監(jiān)測(cè)曲線

由圖6—7圍對(duì)比可知：在基坑開挖初期，豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形位移沿基坑深度的變化曲線呈現(xiàn)“懸臂式”，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部表現(xiàn)出最大水平位移，整體上而言位移變形量較小；隨著后期基坑開挖的進(jìn)行，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移逐漸變大，并且在曲線形式上呈現(xiàn)出“弓形”，在豎直方向，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體中部出現(xiàn)較大的水平位移，上下處相對(duì)位移較小.同時(shí)對(duì)比圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移模擬值與實(shí)測(cè)值曲線后，發(fā)現(xiàn)兩者的曲線變化趨勢(shì)基本一致，這說明本次數(shù)值模擬的結(jié)果能夠較好地反應(yīng)地鐵基坑工程的實(shí)際情況.其中，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移值為17.53 mm，基坑深度約-8.7 m處，而實(shí)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移值為13.85 mm，基坑深度約-10.2 m處，且均發(fā)生在工況4階段，深度約開挖深度2/3 m處.

3.4 支撐軸力模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

本次選取1 號(hào)基坑和2 號(hào)基坑中部的典型斷面位置，即標(biāo)準(zhǔn)段中點(diǎn)處第一道內(nèi)支撐監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，其支撐軸力模擬曲線和實(shí)測(cè)曲線如圖8—9所示.

圖8 1號(hào)基坑支撐軸力模擬與監(jiān)測(cè)值變化曲線

圖8 為1 號(hào)基坑支撐軸力模擬值與監(jiān)測(cè)值變化曲線，其基坑支撐軸力模擬值要小于實(shí)際監(jiān)測(cè)值.因前期支撐布置過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)未能及時(shí)收集，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失，而數(shù)值模擬完全模擬出整個(gè)基坑開挖支護(hù)過程，故模擬值是從0 點(diǎn)開始增大；但到了后期模擬值和監(jiān)測(cè)值曲線逐漸逼近并都趨于平穩(wěn)，最終模擬1號(hào)基坑支撐軸力穩(wěn)定值約為3200 kN，實(shí)際1 號(hào)基坑監(jiān)測(cè)支撐軸力穩(wěn)定值約為3500 kN，模擬和實(shí)際相差8.57%.圖9 為3 號(hào)基坑支撐軸力模擬值與監(jiān)測(cè)值變化曲線，其變化趨勢(shì)和圖8 較為類似；最終模擬的3 號(hào)基坑支撐軸力穩(wěn)定值約為3000 kN，實(shí)際3 號(hào)基坑監(jiān)測(cè)支撐軸力穩(wěn)定值約為3200 kN，模擬和實(shí)際相差6.25%.但總體而言3 號(hào)基坑后期支撐軸力穩(wěn)定值要小于1 號(hào)基坑后期支撐軸力穩(wěn)定值，這與基坑開挖尺寸有關(guān)，3 號(hào)基坑開挖長(zhǎng)度要相對(duì)小于1 號(hào)基坑的開挖長(zhǎng)度，故臨空壓力較小，支撐結(jié)構(gòu)所受的壓力也較小.同時(shí)模擬值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值存在一定的偏差，也與實(shí)際施工過程中受到的擾動(dòng)較多，如車流及人流較大、不穩(wěn)定荷載變化范圍不確切等無法一一在軟件中體現(xiàn)，但是整體的變化趨勢(shì)和數(shù)據(jù)較為接近，說明模擬達(dá)到了實(shí)際工況反演的效果.

圖9 3號(hào)基坑支撐軸力模擬與監(jiān)測(cè)值變化曲線

3.5 周邊地表沉降模擬與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

為研究本地鐵基坑開挖對(duì)周邊建筑物的影響，故在基坑開挖周邊設(shè)置了地表監(jiān)測(cè)孔位，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地表變形位移，選取1號(hào)基坑長(zhǎng)邊與短邊中部斷面處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（D17—D25 與D1—D8）作為分析對(duì)象，其模擬曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線見圖10—11 所示.在基坑開挖初期，引起的周邊地表沉降位移值整體較小，沉降曲線近似呈“下三角形”分布，最大位移發(fā)生在靠近基坑邊緣的部位，距離約3～8 m 范圍內(nèi)；隨著基坑深度的不斷開挖，基坑周邊地表變形量也相應(yīng)增大，由模擬可知，在工況四下距離基坑壁約7.5 m 發(fā)生最大地表變形2.5 mm，而根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在工況四時(shí)，距離基坑壁約10.0 m發(fā)生最大地表變形2.7 mm，且兩者的沉降曲線都大致呈現(xiàn)“凹槽形”分布.

圖10 長(zhǎng)邊中點(diǎn)處周邊地表沉降模擬值曲線

圖11 長(zhǎng)邊中點(diǎn)處周邊地表沉降監(jiān)測(cè)值曲線

1 號(hào)基坑短中部斷面處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)（D1—D8）數(shù)值模擬曲線與實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線見圖12—13 所示.由模擬可知，在工況四時(shí)距離基坑壁約10.0 m 發(fā)生最大地表變形2.3 mm；而根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在工況四時(shí)，距離基坑壁約13.0 m 發(fā)生最大地表變形2.2 mm，且兩者的沉降曲線都大致呈現(xiàn)“凹槽形”分布.整體上而言，基坑長(zhǎng)邊的沉降主要影響范圍比短邊大，且發(fā)生的沉降量也大，基坑開挖長(zhǎng)邊對(duì)地表沉降影響范圍為3.85 倍開挖深度，基坑開挖短邊對(duì)地表沉降影響范圍為2.67 倍開挖深度，超過后影響很小.

圖12 短邊中點(diǎn)處周邊地表沉降模擬值曲線

圖13 短邊中點(diǎn)處周邊地表沉降監(jiān)測(cè)值曲線

4 結(jié)論

本文對(duì)洛陽市某地鐵基坑施工進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，通過對(duì)兩者的結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬得到的曲線較為圓滑，而實(shí)際監(jiān)測(cè)曲線由于受到多種外界因素的影響較為震蕩變化，樁頂處水平位移在起初基坑開挖初期位移逐漸增大，且向坑內(nèi)側(cè)偏移，在后期基坑內(nèi)部施加支撐布置后，水平位移有所減小，最大樁位移主要發(fā)生在基坑開挖中部，而陽角處等變形相對(duì)較小.

（2）在基坑開挖初期，豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形位移沿基坑深度的變化曲線呈現(xiàn)“懸臂式”，在后期曲線呈現(xiàn)出“弓形”，且模擬值與實(shí)際值有較好的相似性，最大變形深度約在開挖深度2/3 m處.

（3）在基坑開挖后期基坑支撐軸力逐漸趨于穩(wěn)定，且開挖寬度越大，基坑支撐軸力也相對(duì)越大；同時(shí)，在基坑開挖初期，引起的周邊地表沉降位移值整體較小，沉降曲線近似呈“下三角形”分布，在開挖后期，沉降曲線近似呈“凹槽形”分布，且基坑長(zhǎng)邊的沉降主要影響范圍比短邊大.