蕭以蘇

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 南京 210000)

0 引言

我國城市軌道交通進入高速發(fā)展時期，處于建筑密集的市中心區(qū)段的土地資源變得更為寶貴，地下空間的開發(fā)成為必然，地鐵建設(shè)的高速發(fā)展可有效緩解城市交通擁堵問題。近年來，我國深基坑工程的建設(shè)水平不斷提升，建設(shè)規(guī)模越來越大，開挖深度不斷加深，周邊建設(shè)環(huán)境愈加復雜敏感[1-4]。

如今，監(jiān)控量測技術(shù)在深基坑工程中得到廣泛應用，通過監(jiān)測指導施工，并反饋設(shè)計，為深基坑的理論研究提供數(shù)據(jù)支持，使深基坑工程的施工更加網(wǎng)絡化、信息化、專業(yè)化[5-6]。Tong Z W等[7]研究了一種新的位移實時監(jiān)測方法，位移的實時監(jiān)測可以及時捕獲大量的基坑變形信息。該方法不僅可以評估原始數(shù)據(jù)和施工方案的合理性，還可預測基坑開挖后期可能出現(xiàn)的新動態(tài)，從而為施工人員提出合理的開挖建議，預判危險。計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展也為基坑工程的有限元分析提供了許多方法和工具載體，應用愈加廣泛。Ma C等[8]基于FLAC 3D軟件模擬深基坑施工，對開挖過程中隔震樁-鋼噴射混凝土支護效應進行分析，結(jié)果表明數(shù)值分析在深基坑工程設(shè)計及施工方案優(yōu)化中具有經(jīng)濟、便利等優(yōu)點。

考慮到在施工過程中會有部分監(jiān)測儀器的損壞，導致監(jiān)測數(shù)據(jù)不完整，故僅依靠監(jiān)測數(shù)據(jù)達到指導施工并反饋設(shè)計的目的是不充分的。因此，需要通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比分析來避免上述情況帶來的不利影響，更好地指導施工并反饋設(shè)計。本文以南京市某地鐵車站深基坑工程為背景，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比分析基坑的變形，為今后類似工程的施工提供相對可靠的借鑒參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

以南京某島式地鐵車站為例，站臺寬度12m，結(jié)構(gòu)形式為雙層單柱明挖結(jié)構(gòu)，車站主體長度181.6m，標準段寬23.7m，總高約28.59m，結(jié)構(gòu)底板埋深約30m，頂板覆土層厚度約1.5m。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.3 水文地質(zhì)條件

該場地含水層主要為第四系砂卵石層中的孔隙潛水，埋深約為18.8～19.2m，標高約為1517.67～1517.78m，卵石層厚度大于200m，地下水位起伏變化一般在±1～1.5m。

1.4 基坑支護方案

本工程采用鉆孔灌注樁聯(lián)合鋼支撐圍護結(jié)構(gòu)體系。車站采用A609鋼管撐和鋼筋混凝土撐，基坑豎向共5道撐，第1、3道撐為鋼筋混凝土撐，間距7m；第2、4、5道撐為鋼管支撐，間距5m?；?道鋼支撐預加軸力分別為400、800、800kN。車站及附屬圍護結(jié)構(gòu)樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，其截面尺寸為1100mm×1000mm和1000mm×1000mm。圍護樁開挖面樁間設(shè)100mm厚C20掛網(wǎng)噴射混凝土?；訕藴识沃ёo結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑支護結(jié)構(gòu)剖面圖

1.5 基坑監(jiān)測方案

監(jiān)測項目包括：樁頂水平位移和豎向位移、地下水位、地表沉降隆起、基坑底部隆起、支撐軸力、支撐立柱沉降及傾斜、地下管線沉降及水平位移。測點平面布置圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點平面布置圖

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 樁頂水平位移

樁頂水平位移變化曲線如圖3所示，由圖知，在開挖過程中圍護樁頂受到外側(cè)主動土壓力的作用向坑內(nèi)發(fā)生偏移，隨著開挖深度的增加，位移逐漸加大；各開挖階段水平位移和深度的變化與支撐預應力的施加有關(guān)。由圖3可知，開挖前期位移有減小的趨勢，開挖中、后期位移呈階梯型逐漸增加，這是由于施加預應力后，坑后土體被逐漸回壓，預應力對水平位移的控制作用逐漸減弱，但正是預應力的施加起到超前支護的作用，使整個基坑開挖過程中樁頂水平位移控制在40mm以內(nèi)。

圖3 樁頂水平位移變化曲線圖

2.2 樁頂豎向位移

隨開挖深度的增加，各測點豎向位移變化如圖4所示。測點ZQC05、ZQC06位于基坑中部的坑外北側(cè)，水平支撐力大，導致這兩個測點處的累計豎向位移相對最大，樁頂抬升也最明顯；測點ZQC08、ZQC09位于基坑端部的坑外東側(cè)，且測點ZQC08位于基坑東北部陰角處，內(nèi)支撐皆為斜撐，施工過程中預應力有一定損失，使這兩個測點處的累計豎向位移值相對較小。測點ZQC07位于基坑端部的坑外北側(cè)，此處基坑跨度小，內(nèi)支撐皆為斜撐，施工過程中預應力損失最為嚴重，因此這一測點樁頂?shù)睦塾嬝Q向位移值相對最小。由圖可知，距基坑中心越近，樁頂隆起量越大，最大隆起發(fā)生在測點ZQC05處，最大隆起量為3.6mm。

圖4 樁頂豎向位移變化曲線圖

2.3 地表沉降

地表沉降會威脅坑周建(構(gòu))筑物的安全，所以必須在開挖全過程進行地表沉降監(jiān)測[9]。本文取基坑周圍的5個監(jiān)測點進行沉降分析，其中監(jiān)測點DB10-02、DB11-02、DB12-02位于基坑北側(cè)，DB13-02、DB14-01位于基坑東側(cè)。地表豎向位移變化曲線如圖5所示，地表豎向位移隨基坑的開挖而增加，距離基坑最遠的測點DB14-01受基坑開挖影響相對最小，其沉降變化趨勢較平緩，沉降值也相對最小。離基坑越近的測點，越易受開挖影響。測點DB11-02所在位置在坑內(nèi)形成陰角，在這里由于堆載，沉降量相比測點DB10-02處更大，且曲線的波動性也相對最大，沉降最大值為2.9mm。在基坑開挖初期，基坑外側(cè)土體沉降量較小，沒有出現(xiàn)基坑隆起現(xiàn)象。隨著開挖深度的增加，最大地表沉降開始向遠離基坑邊緣方向移動，布設(shè)鋼支撐并施加預應力后，樁體內(nèi)側(cè)損失的被動土壓力得到一定補償，基坑沉降量有所回升。

圖5 地表豎向位移變化曲線圖

2.4 鋼支撐軸力

內(nèi)支撐軸力是重要監(jiān)測內(nèi)容[10]。鋼支撐軸力與時間的關(guān)系曲線如圖6所示。由于第2、3道鋼支撐軸力傳感器被破壞，因此本文僅選取了第1道鋼支撐上的兩個軸力監(jiān)測點，分別為水平支撐上的測點ZL08和斜撐上的測點ZL09。從圖6可以看出，斜撐處的軸力變化幅度明顯小于水平支撐處軸力的變化幅度。在施工第89天和第115天時，由于施工現(xiàn)場進出車輛的原因，使測點ZL08處的軸力陡然增加，并且影響到周圍測點的軸力，斜撐處ZL09測點的變化趨勢也產(chǎn)生了輕微跳動。

圖6 鋼支撐軸力變化曲線圖

3 有限元分析

3.1 模型建立及參數(shù)選取

采用PLAXIS 3D建立基坑開挖模型，側(cè)向邊界范圍約為基坑開挖深度的3.5倍，可使邊界對基坑開挖支護的影響減到最小[11]?；友豿和y方向基本對稱，因此選取模型的右半部分進行開挖過程模擬，確定模型尺寸x×y×z=140m×100m×40m。有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型圖

鉆孔灌注樁采用板單元模擬，按等效慣性矩換算得到等效厚度的板樁墻，公式為

πD4/64/1.5=d3/12

(1)

式中，D—鉆孔灌注樁直徑，m；d—板樁墻等效厚度，m。

土體材料采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，根據(jù)地勘資料確定土層基本物理參數(shù)值見表1?；炷羶?nèi)撐、立柱采用Beam單元，鋼支撐采用Node To Node Anchor單元；板樁墻厚度取值為0.872m。分布施工階段見表2。

表1 土層的基本物理參數(shù)

表2 關(guān)鍵施工階段

3.2 樁頂水平位移計算結(jié)果分析

樁頂水平位移取測點ZQS06的模擬值與監(jiān)測值進行對比分析，如圖8所示。

圖8 樁頂水平位移實測值與模擬值對比圖

由圖8知，樁頂水平位移的實測值高于模擬值，初期差距較小，后期差距逐漸加大。究其原因主要是在基坑開挖初期，基坑側(cè)邊受主動土壓力的影響，水平位移增長迅速，在逐步布設(shè)內(nèi)支撐后，水平位移變化幅度逐漸減小。PLAXIS 3D有限元軟件不能真實地模擬實際工況，使得模擬值與監(jiān)測值存在一定差值，但二者的變化趨勢基本一致。

3.3 地表豎向位移計算結(jié)果分析

地表豎向位移取測點DB11-02的模擬值與監(jiān)測值進行對比分析，得到的結(jié)果如圖9所示。

圖9 地表豎向位移實測值與模擬值對比圖

由圖9可以看出，在開挖初始階段，使用PLAXIS 3D模擬所得地表沉降值的絕對值大于實測值，這是因為使用有限元軟件模擬的過程中，開挖是分步進行的，在第1次開挖后還未布置鋼支撐，坑側(cè)受主動土壓力的作用，使樁頂發(fā)生水平位移從而引起地表豎向位移。開挖初期，地表沉降明顯，位移曲線變化幅度大，隨著開挖的進行，逐步布設(shè)內(nèi)支撐，由內(nèi)支撐幫助圍護結(jié)構(gòu)分擔大部分的坑側(cè)土壓力，地表沉降位移減小，曲線逐漸趨于平緩，并體現(xiàn)了地表沉降的時空分布特征。模擬值中地表沉降量最大值為1.9mm，監(jiān)測值中地表沉降量最大值為2.07mm，模擬值變化趨勢與實測值變化趨勢基本一致。

3.4 鋼支撐軸力計算結(jié)果分析

本文選取了第1道鋼支撐上的監(jiān)測點ZL08、ZL09處的軸力模擬結(jié)果，并與實測值進行對比分析，得到的結(jié)果如圖10所示。

圖10 鋼支撐軸力實測值與模擬值對比圖

由圖10中4條曲線的變化趨勢可知，模擬值變化趨勢較實測值平穩(wěn)，變化幅度較小。這是由于使用有限元軟件無法模擬現(xiàn)場施工中出現(xiàn)的各種情況，如車載、機械荷載等不穩(wěn)定荷載的變化，以及在實際工況中出現(xiàn)的超開挖等不確定因素，皆為導致模擬值與監(jiān)測值之間存在偏差的原因。模擬值反映的是鋼支撐從布設(shè)開始時的受力變化情況，因此軸力從零開始逐漸變大，隨挖深的增大軸力也在不斷增加，整體變化規(guī)律與實測值較為吻合。

3.5 立柱沉降計算結(jié)果分析

深基坑的平面支撐體系是由鉆孔灌注樁聯(lián)合水平支撐以及立柱3部分組成，立柱設(shè)置在支撐中點處。在基坑工程中，立柱主要承受施工荷載及支撐結(jié)構(gòu)的自重，在基坑開挖過程中由于所受荷載不均勻立柱會產(chǎn)生沉降差，所以研究立柱對基坑底土體及支護結(jié)構(gòu)變形具有一定意義[12-13]。但由于實際施工過程中立柱監(jiān)測點遭到破壞，未能得到相應的監(jiān)測值，故僅進行數(shù)值分析。立柱沉降曲線如圖11所示，LZC05、LZC06位于水平支撐中點處，LZC07位于斜撐中點處。

從圖11知，立柱變形隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，最大沉降量為18.7mm。當基坑開挖小部分土體時，坑底土體應力得到釋放，樁身上部承受向上的正摩阻力作用使得立柱被抬升，抬升趨勢引起位于基坑深層的土體產(chǎn)生向下的摩阻力來阻止立柱的隆起，同時促進了樁端土體應力的釋放，樁端土體也產(chǎn)生隆起使立柱被抬升，布設(shè)內(nèi)支撐后，立柱隆起趨勢逐漸減弱。隨著開挖的進行，坑內(nèi)大部分土體缺失，立柱向上隆起的趨勢應該更為明顯。但因為底部土層為卵石層，而卵石的抗壓強度高，使得隆起趨勢并不明顯。此外，由于本基坑工程布設(shè)了5道內(nèi)支撐，開挖末期立柱的豎向位移反而在減小。

4 結(jié)論

本文通過對南京某地鐵車站深基坑進行數(shù)值模擬和監(jiān)測分析，得到以下幾點結(jié)論。

(1)鉆孔灌注樁聯(lián)合內(nèi)支撐及立柱基坑支護形式得到的圍護樁頂水平位移及豎向位移、周邊地表沉降、內(nèi)支撐軸力和臨時立柱沉降的變化均在預警值范圍以內(nèi)。

(2)內(nèi)支撐的布設(shè)可以有效地控制圍護樁的傾覆和變形，開挖得越深，位于底部的支撐軸力會逐漸增大，但均未超出預警值，說明支護體系的選取具有一定合理性，其計算參數(shù)的選取也是相對合理的。

(3)影響立柱豎向位移的因素主要是基坑坑底的隆起與豎向荷載工作效應，而立柱的上抬或下沉引起圍護結(jié)構(gòu)的差異變形較大，容易導致支撐體系的失穩(wěn)破壞。

(4)采用PLAXIS 3D軟件對基坑開挖進行模擬，所得模擬數(shù)據(jù)可以與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，達到指導施工、反饋設(shè)計、避免出現(xiàn)工程事故的目的，為基坑工程的理論研究提供更全面、有效的數(shù)據(jù)支持。