吳林韜

（廣西基礎勘察工程有限責任公司，廣西 桂林 541001）

0 引言

在深基坑設計和施工過程中，變形監(jiān)測是一個關鍵的環(huán)節(jié)，其目的是對基坑的變形情況進行實時監(jiān)測和分析，保障工程安全[1-3]。該文以某城市地鐵工程深基坑為案例，介紹了在復雜環(huán)境下深基坑設計與變形監(jiān)測分析的過程和方法。在現(xiàn)有地鐵站周圍，建設地鐵站是一個錯綜復雜的信息系統(tǒng)，建設危險性極高。為了保證建筑施工質(zhì)量，不僅要盡可能減少對既有地鐵站及其附屬工程的影響，還要對距離較近的地鐵站（如站間距離約10 m）進行合理評估，以保障施工過程深基坑力學性能的安全。所以，為了保障建設地鐵站在建筑施工過程中的安全性和可靠性，有必要進行深入研究[3-5]。

盡管工程經(jīng)驗法可以提供一定的參考，但是它仍然存在主觀性，無法精確地反應深地基在復雜多變建筑環(huán)境條件下的力學效果[6]，而數(shù)值模擬技術可以有效地解決現(xiàn)實中的基坑穩(wěn)定性問題。是研究深基坑施工過程中力學特性的一種重要方法。基于某地鐵換乘站深基坑工程，該文構(gòu)建三維空間有限元數(shù)據(jù)模式，并綜合現(xiàn)實測量數(shù)據(jù)，對相鄰既有地鐵進行分析，以期獲得更準確的結(jié)果，優(yōu)化深基坑設計。

1 工程概況

該地鐵深基坑位于市區(qū)繁華商業(yè)區(qū)域，周圍環(huán)境復雜，包括多種地質(zhì)類型和地下設施。車站主體采用直接開挖支護施工方法。換乘站位于地下二層島式車站，其中心里程處深約16 m，站臺頂部覆蓋約3 m 的土壤，車站主體結(jié)構(gòu)總長度約227 m，總寬度約22 m（標準段），有效站臺長140 m，寬13 m，采用雙柱三跨構(gòu)造，以滿足乘客的出行需求。采取地下連續(xù)墻與內(nèi)部支撐相結(jié)合的支撐形式，主圍護結(jié)構(gòu)的厚薄分別為1000 mm 和800 mm，其中前者位于既有車站的一側(cè)，后者位于大里程端部，墻頂設置冠梁，保障構(gòu)造的高度穩(wěn)定和安全。水平支撐體系由鋼筋混凝土和鋼結(jié)構(gòu)組成。

2 建立數(shù)值模型

該文旨在深入研究新建地鐵車站深基坑支護結(jié)構(gòu)在開挖和支護施工過程中的受力和變形特征，為此，結(jié)合工程設計和施工方案，建立三維有限元數(shù)值模型，以便更好地分析和預測其受力變形情況。

2.1 數(shù)值模型的基本假設

這座地鐵站的深基坑是1 條長條形，靠近現(xiàn)有的地鐵站。當基坑分段開挖時，施工現(xiàn)場的施工環(huán)境是多變的。由于缺少與現(xiàn)場施工土壤壓實試驗和既有站點主體構(gòu)造有關的詳細資料，為了更好地模擬實際情況，提高有限元分析和計算結(jié)果的效率，對建模和解析計算結(jié)果進行精簡，并做出以下7 種假設：場地各土壤的界面保持水平，取各土壤的平均厚度。2）排除層間土的因素，保持土壤質(zhì)量在相同深度范圍內(nèi)是均勻的并且不考慮實際土壤的空間不均勻性。3）假設在每次土方開挖建設前，地下水已降至土壤挖掘面下最少2 m，地下連續(xù)墻具有良好的止水效果，因此可以忽略基坑開挖期間地下水對現(xiàn)場的危害。4）不論基坑開挖前現(xiàn)場土壤的應力分布和變形如何，都可以通過采取相應預防來提高質(zhì)量，以保證建設平安、高效、可靠。根據(jù)參考地質(zhì)調(diào)查報告，可以獲得該值。5）在基坑施工過程中，采用一次挖掘逐層建立數(shù)值模擬工作條件并且考慮到分段和分區(qū)挖掘?qū)拥呢撁嬗绊憽?）地下連續(xù)墻的物理力學財產(chǎn)沿墻深不變，且與周圍土層的摩擦接觸系數(shù)不受水深的負面影響。7）不論機械、建筑材料的種類、數(shù)量、大小，都應該按照規(guī)定的標準進行建設，以保證工程質(zhì)量。它們都按照20 kPa 的地面過載沿基坑邊緣周圍的20 m 范圍均勻分布。

2.2 三維數(shù)值模型

研究表明，在地基挖掘和支護施工期間，其對周圍環(huán)境的深度的影響通常是基坑開挖的4 倍，而寬度的影響則可能達到5 倍。為了更好地模擬實際情況，該文提出了一個450m×168m×52m 的綜合模型，如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型

使用修正的Mohr-Coulomb 來構(gòu)建模型，以仿真基坑開挖階段中土體的工程特性。為了提高擋土體系的支撐能力，根據(jù)該地區(qū)深基坑工程建設的經(jīng)驗和該建設項目的巖土工程勘察研究報告，對現(xiàn)場各層的基本物理力學參數(shù)進行適當調(diào)整，以保證地基的安全性和穩(wěn)定性。經(jīng)過簡化處理后，表1 顯示了現(xiàn)場各土層厚度及其主要物理力學性能。此外，表2、表3 列出了新建車站的深地基擋土結(jié)構(gòu)體系以及既有車站的主體結(jié)構(gòu)板、柱的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以便更好地反映實際情況。

表1 土層的物理參數(shù)

表2 支撐結(jié)構(gòu)的組成參數(shù)

表3 現(xiàn)有車站主體結(jié)構(gòu)的組成參數(shù)

2.3 施工條件模擬

按照該工程施工方案，基坑內(nèi)土方開挖面應位于每次架設的內(nèi)支撐軸線以下，深度不低于0.5m，鋼支撐軸線以下0.4 m，以便更好地模擬施工過程。主要施工條件見表4。

表4 深基坑開挖的模擬施工條件

3 數(shù)值模擬結(jié)果

X軸指向基坑的長度方向，Y軸指向基坑的寬度方向，兩者均為水平方位；Z軸指向基坑的縱深的方向，垂直于上方位為正。

3.1 地下連續(xù)墻的水平位移

圖2 展示了在各種計算條件下，地下連續(xù)墻在地基各個部位的高低位移變化情況。從圖中可以清楚地看出，當基坑挖到最下部時，東端長邊中段墻面的最大水平位移達到38mm，而北側(cè)短邊中段墻面的較大水平變形則達到20mm。在地基北端以東的斷面附近，墻面的最大水平位移達到了25mm，而且這一位移量還超過了墻面頂部以下的2/3 處，這表明了墻面的穩(wěn)定性和抗拉強度。

圖2 地下連續(xù)墻的水平位移模擬曲線

經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)基坑北側(cè)短邊中部的地下連續(xù)墻變形最小，其次是東端附近的地下隔墻，而長邊中部的地下隔墻變形最大，這應該是監(jiān)測深基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)變形的關鍵區(qū)域。

3.2 內(nèi)支撐軸向力

根據(jù)數(shù)值模擬提取的計算結(jié)果，選擇基坑標準斷面和基坑北端東側(cè)斷面，可以分析各支護軸向力隨工況進展的變化。從數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，基坑平面不同位置的第一支護軸向力有所減少。當基坑開挖至基底時，標準段水平直撐和北端水平斜撐的軸向力非常接近，約為100kN；北端垂直直撐，表明基坑端部空間效應更明顯，有利于第一支護的受力；在基坑平面的每個位置處的第二和第三支撐件的軸向力隨著工作條件的進展上下波動并最終穩(wěn)定；基坑中最后一次土壤開挖導致第四個支護的軸向力顯著增加。在設置第二和第四支撐后，上支撐的軸向力減少。例如在基坑的標準截面，第一個水平支撐的軸向力從-182.32kN 降至-155.12kN；第三個水平支撐的軸向力從-932.17kN 降至-732.17kN。在整個基坑開挖過程中，第二個支撐的軸向作用力最大。當基坑開挖至坑底時，最大值已達到-2413.22kN。因此，在施工過程中，應加強對基坑二次支護軸向力的監(jiān)測，及時處理現(xiàn)場堆放，控制施工開挖進度。

經(jīng)過數(shù)值模擬和計算，選擇基坑標準斷面和東側(cè)斷面作為基坑的北端，以保障安全?？梢苑治龈髦ёo軸向力隨工況進展的變化。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，隨著施工條件改善，第一支護軸向力顯著減少，當基坑挖掘至基底時，標準段水平直撐和北端標準斜撐的軸向力超過100kN，表明基坑端部空間效應更加明顯，有利于第一支護的受力；此外，第二支撐件和第三支撐件的軸向力也會隨著條件的變化而變化，最終穩(wěn)定；最后一次土壤挖掘會導致第四個支護的軸向力顯著增加?？偟膩碚f，在設置第二和第四支撐后可以看出效果顯著改善，上支撐的軸向力減少。在基坑的標準截面上，第一個水平支撐的軸向力顯著降至-155.12kN；而第三個水平支撐的軸向力則有所下降，最終降至-732.17kN。在整個基坑開挖過程中，第二個支撐的軸向作用力最顯著。當基坑挖到最深處時，其最大負荷已經(jīng)達到-2413.22kN，因此，在施工過程中，必須采取有效措施來保障安全。應加強對基坑二次支護軸向力的監(jiān)測，及時處理現(xiàn)場堆放，控制施工開挖進度。

3.3 數(shù)值模擬和測量值的比較分析

表5 為每個分析條件下的內(nèi)部支撐的軸向力比較，當?shù)谝粋€支架在基坑中開挖和支撐時，模型計算值顯示支架處于壓縮狀態(tài)，但實際上支架承受了72.12 kN 的張力；在隨后的施工條件下，第一支撐件和第三支撐件的軸向力的實際測量值明顯高于模擬計算值，而第二和第四支撐件的軸向力的實際測量值則低于模擬計算值。經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)在實際施工過程中支護力不僅受到基坑本身的開挖和卸載的影響，還受到施工荷載和周圍環(huán)境的動態(tài)變化的影響。在數(shù)值模擬中，由于大面積逐層一次性開挖，基坑在第一次開挖后會面臨復雜多變的施工環(huán)境，因此它會表現(xiàn)出與圍護結(jié)構(gòu)不同的應力和變形特征。

表5 每個分析條件下的內(nèi)部支撐的軸向力比較

根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三維模型計算出的基坑的周圍最終地面沉降值大于實際情況。分析表明，這可能是由于模型施工條件與實際施工過程中復雜的基坑開挖和卸載方法不同所導致的。在基坑邊緣13 m 處，最大的表面沉降量達到-10.3 mm，這一數(shù)值與沉降曲線的“凹槽”現(xiàn)象非常接近，表明該模型能夠有效地模仿基坑施工過程中周圍地表的下沉變化。

4 結(jié)論

通過三維有限元數(shù)值分析模型，對新建地鐵換乘站深基坑開挖和支護施工流程進行仿真，研究了受力和變形特征，包括地底連續(xù)性墻的水平位移、內(nèi)支撐的軸向力和周圍地面沉降。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)果：①基坑在挖掘和施工，變形逐步發(fā)展為地基，每側(cè)地底連續(xù)性墻的最高水平位移位于該側(cè)的中部，這表明基坑施工流程中受力和變形特征發(fā)生了顯著變化，需要采取相應對策來控制和減少變化，以保障施工安全。隨著基坑的深入施工，地底連續(xù)性墻的厚度會逐步減少。②在整個開挖過程中，第二支撐的軸向力是較大的，因此應該加強對第二支撐軸向力的監(jiān)測，及時處理現(xiàn)場堆載，以控制施工進度。③隨著施工條件的改善，地表沉降的影響范圍會擴展到周圍環(huán)境，導致沉降值進一步增大。在所有綜合分析條件下，結(jié)果表明，論斷是正確的，基坑東側(cè)開放區(qū)域現(xiàn)場表面的土壤都在下沉，當基坑開挖至基底時，其沉降在基坑短邊呈現(xiàn)溝槽現(xiàn)象。④通過數(shù)值模擬分析和實際測量結(jié)果的對比，可以更加準確地反映基坑施工過程中的力學特性，從而更好地滿足施工要求。然而，它仍然是有限的，因為它不能完全和實時地響應實際現(xiàn)場施工環(huán)境的動態(tài)變化。在實際施工過程中，這類基坑應分層分段開挖。