武汉地铁名都车站基坑开挖监测与数值分析

， ，， ，

(1.广州城建职业学院 建筑工程系，广州 510925； 2.中国地质大学(武汉) 工程学院,武汉 430074)

1 研究背景

地铁现已成为人类出行的重要城市交通工具,但是由于地铁基坑及隧道的开挖，必然引起周围土体及岩体的应力发生变化，从而造成周边地表沉降，地下管线沉降，周边建筑物沉降、变相、倾斜、甚至倒塌，从而造成严重的工程事故[1-3]。

对于地铁开挖引起的工程问题已经成为岩土工程问题的热点之一，20世纪30年代，Terzaghi和Peck等人提出了支撑荷载大小的总应力法以及预估挖力稳定程度的理论[4]；我国学者王霆等[5]利用Peck方法对北京地铁车站和区间浅埋暗挖法施工引起地表沉降问题进行了研究；韩煊[6]将Peck方法和随机介质理论方法进行了对比分析，并给出了我国部分城市的沉降槽宽度建议值[7-9]。随着计算机技术的发展，数值模拟分析方法被引入基坑工程的研究工作，成为一种研究基坑工程较为有效的方法。

本文利用三维有限差分软件FLAC3D建立武汉地铁名都车站开挖模型，进行数值计算，对比现场实测数据，为地铁开挖过程中时空效应预测以及信息化施工，提供有效合理的依据。

2 工程概况

武汉地铁二号线名都车站深基坑工程，采用半挖法施工，在该基坑的开挖深度2倍范围内:北侧分布有在建的约20层住宅楼保利华都，住宅楼基础为桩基基础；南侧分布有层高约5～6层的西藏中学学生公寓楼，采用条型浅基础(图1)。车站主体的围护结构采用钻孔灌注桩，围护结构内部水平受力体系采用钢管内支撑方案(图2)。

图1 基坑位置及监测点

图2 钢支撑现场照片

3 数值分析模型

模型采用国际大型通用软件ANSYS 的前处理平台建立，取该基坑开挖范围2～3倍，长240 m，宽140 m，高50 m(图3)。

图3 ANSYS模型图

在桩土接触区域细化模型网格，并导入FLAC3D软件中，模型共270 968个单元，167 928个节点(图4)。将计算模型底面和4个侧面固定，顶面自由。模型计算参数如表1。在模拟桩-土共同作用的实际情况时，需考虑桩体与土体之间的接触与滑移，因此，在两者之间设置桩土接触面。土体、墙、楼板、基础采用摩尔-库伦模型，桩、钢支撑、冠梁采用弹性模型。抗滑桩和土体之间的摩擦角取桩周土0.6～0.7倍，黏聚力取相邻土层0.7～0.8倍(表2)。

图4 FLAC3D模型图

表1模型计算参数

Table1Parametersformodelcalculation

岩土及结构名称密度/(g·cm-3)黏聚力/kPa内摩擦角/(°)剪切模量/MPa体积模量/MPa杂填土1.86541.798.3粉质黏土1.9718356.672.00碎石土1.9342141.752.33灰岩2.672 000489.02×1031.31×104冠梁2.501.17×1041.56×104桩2.501.00×1023.00×102钢支撑7.808.33×1041.11×105墙2.501 250472.98×1031.53×103楼板2.501 800484.46×1032.29×103浅层基础2.501 800484.46×1032.29×103

表2 接触面计算参数

4 现场实测数据与计算结果分析

4.1 现场监测数据

武汉地铁二号线名都车站深基坑工程，对基坑侧壁采用测斜管监测，周围建筑物埋设的监测点如图1所示。测斜管的监测数据YCX-2，ZCX-5如图5、图6所示，第1层钢支撑架设稳定后最大位移出现在基坑顶部，第2、3层钢支撑架设稳定后最大位移出现在基坑中下部呈“弧状”;基坑周围建筑物的监测点J1，J9，J31，J34监测成果如图7所示，可以看出在同一地铁开挖基坑两侧的建筑物沉降位移有很大差异，采用条型浅基础的西藏中学监测点J1和J9沉降明显大于采用桩基础保利华都监测点J31和J34。

图5 YCX-2水平方向位移监测成果

图6 ZCX-5水平方向位移监测成果

图7 建筑物沉降监测成果

4.2 水平位移(Y方向) 数值模拟分析

开挖至2.9 m稳定后(第1层钢支撑位置)，从图8(a)可以看出y负方向最大位移为1.2 mm，y正方向最大位移为0.8 mm。这与现场实测监测成果(图5、图6)在数值以及位置上都相符。

图8 钢支撑稳定后Y方向位移图

开挖至8.1 m稳定后(第2层钢支撑位置)从图8(b),可以看出y负方向最大位移31.6 mm，y正方向最大位移为6.1 mm，最大位移发生在基坑中部位置，且靠近西藏中学的基坑测斜点YCX-2较靠近保利华都高层建筑物的测斜点ZCX-5位移绝对值较大。

开挖至13.2 m稳定后(第3层钢支撑位置),从图8(c)可以看出y负方向最大位移为39.9 mm，y正方向最大位移为12.1 mm，最大位移发生在基坑垂直向中部位置，且靠近西藏中学的基坑测斜点YCX-2较靠近保利华都高层建筑物的测斜点ZCX-5位移绝对值较大，这与现场实测监测成果(图5、图6)在数值以及位置上都相吻合。

4.3 沉降位移数值模拟分析

从第3层开挖加钢支撑稳定后地表沉降位移图(图9)可见，基坑周围建筑物的位置与基础形式不同沉降位移也不同，西藏中学处最大沉降位移为20.6 mm，保利华都处最大沉降位移为10 mm左右。

图9 第3层钢支撑稳定后地表沉降位移图

图10 地表沉降数值模拟监测位移及拟合结果

在数值模型中，基坑与周围建筑物之间设置一系列等距的数值模拟监测点，在第三层钢支撑稳定后地表沉降数值模拟监测结果如图10。保利华都处最大地表沉降位移约6 mm，西藏中学处最大沉降位移约21 mm，这与图7中现场监测数据基本吻合。基坑周边保利华都侧，地表沉降曲线拟合关系为：Y1=1.01×10-5-1.73×10-5X-7.72×10-6X2+4.13×10-7X3；基坑周边西藏中学侧，地表沉降曲线拟合关系为：Y2=1.24×10-4+1.68×10-4X-6.39×10-5X2+2.94×10-6X3。从地表数值模拟监测曲线来看西藏中学侧地表沉降位移较大，应在施工中注意防护与实时监测。

5 结 论

(1) 运用国际岩土数值软件FLAC3D建立武汉地铁二号线名都车站基坑模型，对比现场监测数据，研究地铁基坑开挖引起的变形规律，数值分析结果与现场监测成果吻合。

(2) 高楼层的保利华都因其基础为桩基础，故地铁基坑开挖后沉降位移仅约5 mm，其侧基坑地表沉降曲线呈“三角形”，拟合公式为Y1=1.01×10-5-1.73×10-5X-7.72×10-6X2+4.13×10-7X3；低矮楼层的西藏中学因其基础为条形浅基础，故地铁基坑开挖后沉降位移较大约21 mm，其侧基坑地表沉降曲线呈“阶梯状”，拟合公式为Y2=1.24×10-4+1.68×10-4X-6.39×10-5X2+2.94×10-6X3。

(3) 从现场监测成果和数值模拟结果的对比分析来看，利用数值仿真模拟可以实现对基坑开挖、支护过程中的各个施工工序，以及基坑支护过程中重点部位的超前时空预测，较好地了解地铁开挖基坑对其周围建筑物的相互影响，从而为信息化施工、指导基坑支护方案的修正，提供有效合理的依据。

参考文献：

[1] 江晓峰,刘国彬,张伟立，等.基于实测数据的上海地区超深基坑变形特性研究[J].岩土工程学报,2010,32(增2):570-573. (JIANG Xiao-feng, LIU Guo-bin, ZHANG Wei-li,etal. The Research on Deformation Characteristics of Super Deep Foundation Pit Based on the Measured Data in Shanghai[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(Sup.2): 570-573.(in Chinese))

[2] 刘宝琛.综合利用城市地面及地下空间的几个问题[J].岩石力学与工程学报,1999，18(1):109-111. (LIU Bao-chen. A Few Questions about the Comprehensive Utilization of the Urban Ground and Underground Space[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1999，18(1):109-111. (in Chinese))

[3] 柳建国,程良奎.北京地区基坑支护技术的发展与工程实践[J].岩土力学,2009,30(4):1013-1017. (LIU Jian-guo, CHENG Liang-kui. Pit Support Technology Development and Engineering Practice in Beijing[J]. Rock and Soil Mechanics,2009,30(4):1013-1017. (in Chinese))

[4] Terzaghi. K,Peck R B. Soil Mechanics Engineering Practice[M]. New York ,1948.

[5] 王 霆，刘维宁，张成满，等. 地铁车站浅埋暗挖法施工引起地表沉降规律研究[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(9)：1855-1861. (WANG Ting，LIU Wei-ning，ZHANG Cheng-man，etal. Study of Ground Settlement Induced by Shallow Metro Station Constructions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(9)：1855-1861.(in Chinese))

[6] 韩 煊. 隧道施工引起地层位移及建筑物变形预测的实用方法研究[D]. 西安：西安理工大学，2006. (HAN Xuan. The Analysis and Prediction of Tunneling-induced Building Deformations[D]. Xi’an：Xi’an University of Technology，2006. (in Chinese))

[7] 孟 丹，臧晓光，于广明，等.地铁车站开挖引起地表沉降分析方法的对比研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(6): 1169-1178. (MENG Dan，ZANG Xiao-guang，YU Guang-ming,etal. Comparative Study of Analytical Methods for Round Surface Settlement Induced by Subway Station Construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(6): 1169-1178. (in Chinese))

[8] 张爱英.基坑开挖对邻近建筑物影响的数值模拟分析[D].西安：西安科技大学，2008. (ZHANG Ai-ying. Numerical Analysis of the Adjacent Structure in Foundation Excavation Engineering[D]. Xi’an：Xi’an University of Science and Technology,2008.(in Chinese))

[9] 曾 远, 李志高, 王毅斌. 基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 8(4): 642-645. (ZENG Yuan, LI Zhi-gao, WANG Yi-bin. Research on Influencing Factors of Deep Excavation Adjacent to Subway Station[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2005, 8(4): 642-645. (in Chinese))