摘要：文章采用ABQUS軟件對某市某地鐵車站的開挖進行了數(shù)值仿真，并與實際測量數(shù)據(jù)進行了比較，結(jié)果表明，在開挖過程中，深基坑對自己的圍護結(jié)構(gòu)和周圍的地面都有一定的影響：當(dāng)基坑的開挖深度增大時，樁的橫向位移發(fā)生了弓形的變化，兩端位移較小，中間位移較大，第三道鋼支撐處出現(xiàn)最大位移變量；地面沉降變形呈現(xiàn)出拋物線型的變化，在基坑邊緣5m處，端頭井處地面沉降呈現(xiàn)出三角形沉降，基坑邊緣出現(xiàn)最大沉降；當(dāng)開挖深度增大時，支撐軸力的變化也隨之增大，當(dāng)它挖掘至底部的時候，它就會趨于穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：基坑，變形規(guī)律，數(shù)值模擬

中圖分類號：TV554

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9545（2023）02-0055-（05）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.02.012

隨著地鐵發(fā)展的持續(xù)進步，人們越來越意識到地鐵施工時的安全性和重要性，文明施工、安全施工。開挖基坑時，基坑的支護結(jié)構(gòu)和周圍地面會隨開挖深度的增大而發(fā)生位移，進而探索基坑開挖的變形規(guī)律，并對開挖過程中的薄弱部位進行了深入的認(rèn)識和保護。因此，在挖掘過程中，必須探討基坑的變形規(guī)律。

張明聚等[1]利用軟件FLAC3D方法，對車站深基坑進行了數(shù)值仿真，并對圍護樁的彎矩在不同預(yù)加軸力及剛度下的鋼支撐進行了量化分析。吳鳳元等[2]采用有限元進行數(shù)值分析的結(jié)果表明：樁水平位移在沒有鋼支撐時位移相對較大，第2、3道支撐有著重要的影響。夏夢然[3]采取注漿的方法對基坑加固，有利于對地下連續(xù)墻進行一定的保護，達到了很顯著的效果。任偉明等[4]借助FLAC3D有限元分析，針對某工程的樁錨支護、變形縫進行了數(shù)值仿真，并對其進行了計算，給出了若干方面的意見。秦勝伍等[5]對深圳某基坑工程采用仿真模擬，發(fā)現(xiàn)了基坑在開挖底土、拆除底層支撐階段出現(xiàn)了較大的變形，且出現(xiàn)了兩端較大，中間較小的現(xiàn)象。鮑如意等[6]對呼和浩特地鐵車站基坑采用FLAC3D軟件模擬，結(jié)果為：若開挖時，其暴露的時間太長，沒有連續(xù)施工，則會增加坑底變形。麻鳳海等[7]利用MIDAS/GTS，對沈陽某深層基坑進行了仿真模擬，結(jié)果為：在開挖時，圍護結(jié)構(gòu)的角部效應(yīng)顯著，其邊角部位位移不明顯，向外部呈現(xiàn)出逐漸變大的現(xiàn)象，并與實測數(shù)據(jù)進行比較，得到了鋼支撐對基坑的穩(wěn)定性的重要影響。王海超等[8]通過采用ANSYS軟件對哈爾濱某深基坑進行模擬，結(jié)論如下：對限制基坑水平位移起到良好限制作用的是地下連續(xù)墻加混凝土支撐加鋼支撐的圍護結(jié)構(gòu)。趙凌云等[9]在模擬軟土地層基坑開挖時得出結(jié)論，由于該支護結(jié)構(gòu)改變了以往在支護結(jié)構(gòu)上的土壓分布，保證了支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固，即在分層開挖中采用重力式擋墻結(jié)合樁錨結(jié)構(gòu)，在某種程度上可以有效限制基坑變形?？稻拔牡萚10]認(rèn)為對基坑的變形最重要的影響因子是錨索在施工過程引起的振動，至于其他因素影響很小，可以忽略不計。柴海博[11]建立三維基坑應(yīng)力-滲流模型，該模型是依托實測數(shù)據(jù)，綜合了數(shù)值計算得出的，即：基坑在結(jié)束第四道支撐以前，立柱樁凸起速率明顯，緊接著甚微；墻的深部水平位移為開挖面附近出現(xiàn)的先增后減、具最大值的“弓”型曲線；基坑周邊地表沉降表現(xiàn)為“凹”槽型。周剛等[12]通過對比蕪湖某基坑工程開挖模擬結(jié)果、監(jiān)測值及規(guī)范值，發(fā)現(xiàn)：隨著工程進度的持續(xù)推進，開挖深度越來越深，地表沉降和支護結(jié)構(gòu)水平位移值也相應(yīng)增漲，同時開挖次數(shù)越多，二者的預(yù)警臨界值越大。

文章采用了數(shù)值模擬，同時綜合考慮了現(xiàn)場數(shù)據(jù)，歸納了對于圍護結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中的變形相關(guān)規(guī)律，積累了基坑工程開挖的寶貴經(jīng)驗。

1工程概況

1.1工程簡介該車站為站臺寬11m的地下雙層島式站臺車站，長度是232m，盾構(gòu)井段是24.3m，標(biāo)準(zhǔn)段長度是20.3m。采用的結(jié)構(gòu)是雙跨箱式框架結(jié)構(gòu)，車站中間頂板的覆土厚度為3.0m，施工采用明挖順作的方法，利用圍護樁+鋼支撐型式為主體結(jié)構(gòu)。

1.2水文地質(zhì)條件地下水是第四系孔隙潛水。相關(guān)記錄表明，地下水位在20世紀(jì)80年代末持續(xù)降低。截止到日前，地下水位埋深44.3m。

1.3基坑支護設(shè)計該基坑圍護不適合采用連續(xù)墻，故首先考慮鉆孔灌注樁，設(shè)計參數(shù)為800×1200mm，開挖深度為17.6m，基坑內(nèi)支撐均是鋼支撐，間距3m，直徑Φ609mm，圖1為其體系橫斷面。

2數(shù)值模擬

2.1計算模型該工程采用基坑標(biāo)準(zhǔn)段中間部位作為計算的模型，該模型寬80m，高40m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20m，開挖深度17m，樁長23m，上部為冠梁，距基坑邊緣25～30m處為建筑物，全采用管徑609mm，厚度16mm的鋼支撐，采用單元類型為平面應(yīng)變單元，對兩側(cè)方向施加邊界條件，同時對樁與土體接觸進行使用表面接觸模擬，鋼支撐和墻體采取點對點的耦合約束。

2.2土層劃分及參數(shù)車站深基坑開挖時的土體可劃分為5個層次，分別為：人工填土、黃土狀粉質(zhì)黏土-粉土、粉砂、粉土和粉質(zhì)黏土。

2.3支護結(jié)構(gòu)的模擬車站圍護首先考慮鉆孔灌注樁，但可按照地連墻的規(guī)律研究，把鉆孔灌注樁更換為地下連續(xù)墻，模擬的地下連續(xù)墻的厚度可以按照等剛度法進行計算求出：

2.4模擬結(jié)果分析

2.4.1樁體水平位移基坑完全開挖后的樁體水平位移變化如圖2。

通過仿真模擬得到的位移云圖和樁水平位移的曲線，得出了第一層開挖時位移變化很小，最大位移量在7m處，最大位移量為1.31mm，第二與三層開挖時，樁體水平位移發(fā)展較慢，第二層開挖時最大位移在10m處，最大位移量是4.5mm，在第三層開挖中，最大位移出現(xiàn)在11m處，而最大位移量是6.44mm。從樁的位移變化曲線可知，第二支撐與第三層支撐減緩了樁的持續(xù)變形，樁的水平位移由于基坑支護結(jié)構(gòu)的改進基本保持不變（工況6），極值位移仍然位于11m深度處，7.61mm是最大位移量，說明在鋼支撐的影響下，最大位移深度在10～12m間。

2.4.2地表沉降基坑完全開挖后的地表沉降變化情況如圖3。

從地表垂直位移云圖可以得出，開挖基坑初始階段（工況三與工況四），地表發(fā)生隆起，離邊緣越近，隆起愈甚，源于邊緣較近的部分受到開挖影響不大，而基坑的支護結(jié)構(gòu)及支撐的安裝使得基坑邊緣附近的部位發(fā)生隆起現(xiàn)象。工況五和工況六中，在5m處發(fā)生地表垂直向最大位移，最大沉降分別為2.67mm和4.19mm。

在此模型中，地面垂直位移只在25m范圍內(nèi)有一定的影響，基坑的垂直位移在第三層鋼支撐安裝完畢后表現(xiàn)為凹槽型的情況，最大的沉降發(fā)生在距基坑5m處，表明土體由于基坑開挖時會產(chǎn)生影響，從而發(fā)生坑角效應(yīng)。

2.4.3鋼支撐軸力模擬模型時，將第一道鋼支撐隨開挖深度的變化記錄下來，并做出如圖5所示的不同工況下鋼支撐的變化圖。

從軸力變化圖了解到：鋼支撐的軸力在不斷波動中由于基坑的開挖而持續(xù)增大，第一道鋼支撐始終受到圍護樁對其產(chǎn)生的壓力，并且該鋼支撐明顯地起到了限制樁體水平移位的作用?；娱_挖后軸力趨于不變，最大值為338.1kN，比預(yù)警值要小一些。

3監(jiān)測結(jié)果與實測值對比分析

3.1樁體水平位移變化樁體水平位移在不同開挖階段的變化見圖6。

4種工況的實測與模擬得到的數(shù)據(jù)進行對照，結(jié)論如下：（1）測量數(shù)據(jù)變化曲線與仿真數(shù)據(jù)變化曲線基本相同，在開挖不深時，水平位移很小，最大水平位移位置比較接近上部，當(dāng)基坑開挖深度不斷增大時，最大水平位移位置逐漸降低，具有最大水平位移的位置在11m左右，圍護結(jié)構(gòu)和水平位移在開挖4層時基本保持不變，同時發(fā)現(xiàn)變化曲線是弓形的，中間具有最大值。（2）模擬數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)的走勢圖大致相同，但是有著一定的差異，可能因素有：模型只是大概對土層進行分層，有著相對來說比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，和實際的土層可能存在一定的區(qū)別，因此，本模型的土層分類在實際建設(shè)過程中，由于荷載、溫度等有關(guān)因素的影響，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的可能性是存在的。

3.2地表沉降變化不同開挖階段下的地表沉降變化，如圖7。

針對四種工況的比較，得出實測和模擬的變化曲線在相同工況下的變化趨勢是相似的，在5m左右出現(xiàn)了最大的沉降。而實測值與模擬值存在一定的差別。但均呈現(xiàn)出同一種變態(tài)趨勢，即拋物線狀。

3.3第一道鋼支撐變化第一道支撐在不同開挖階段下的變化見圖8所示。

對比二者鋼支撐的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出：（1）第一道鋼支撐的二者數(shù)據(jù)變化走勢大致吻合。軸力在安裝第二和第三道鋼支撐時不斷增大，開挖結(jié)束時，軸力值基本趨于穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)超出預(yù)警值的情況，最大實測值是354.63kN。（2）模擬值與實際測量值規(guī)律相同，但存在著一定的誤差，從圖中可以看出，工況四的下一階段，軸力值發(fā)生先增大后減小的變化，可能是現(xiàn)場的機械設(shè)備對基坑產(chǎn)生力的增量，使支撐軸力變大所致。（3）模擬數(shù)據(jù)與實地測量值存在一定的誤差，但總體變化規(guī)律和數(shù)值相似，且均未達到預(yù)警值。

4結(jié)語

通過ABAQUS軟件模擬，結(jié)合實地測量資料對比分析，總結(jié)出以下結(jié)論：

（1）樁的水平位移表現(xiàn)為弓字型變化，兩端位移很小，中間位移大，在10～12m之間存在最大的位移變量；地面沉降變形表現(xiàn)為拋物線型的變化趨勢，當(dāng)基坑開挖后邊緣5m處出現(xiàn)最大沉降；由于開挖深度的不斷增大，支撐軸力的變化也隨之增加，在開挖至底部時，軸力值開始保持穩(wěn)定。

（2）開挖初始階段，由于開挖基坑一開始，支撐和圍護結(jié)構(gòu)受到力的作用，加之基坑開挖的深度不深的緣故，出現(xiàn)土體局部凸起現(xiàn)象。當(dāng)開挖深度增加到一定程度，應(yīng)力趨于平衡，該現(xiàn)象漸漸消退，發(fā)生較大沉降的位置在邊緣5m處。

（3）安裝完成第二、三道支撐后，起到的作用越來越大，支撐軸力變化由基坑開挖開始階段相對較大到不斷減小，某一工況下軸力在同一區(qū)間內(nèi)起伏波動且穩(wěn)定。

（4）現(xiàn)場數(shù)值與模擬數(shù)值有細(xì)微差別，原因可能如下：實際土體不能從模型中完全反映出來，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，深度不同，土體的性質(zhì)差別，但規(guī)律大致相同。

（5）將所得地表沉降、樁體水平位移、鋼支撐軸力的數(shù)據(jù)通過數(shù)值模擬，得出其發(fā)展規(guī)律和數(shù)值與實測數(shù)據(jù)相似，未超出預(yù)警值，說明可利用ABAQUS軟件對基坑開挖過程進行模擬。

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（責(zé)任編輯 羅江龍）