上海某人行地道基坑工程监测及数值模拟研究

周　晋

(上海地矿工程勘察有限公司， 上海 200072)



上海某人行地道基坑工程监测及数值模拟研究

周晋

(上海地矿工程勘察有限公司， 上海 200072)

根据现场监测数据系统研究了人行地道基坑施工过程中围护结构的侧向位移规律，并用岩土工程专业有限元软件对基坑开挖过程进行了模拟，将得出的侧向变形与实测侧向变形进行对比分析，重点研究了基坑开挖不同深度侧向位移的变化规律以及底板和顶板对围护结构侧向变形的影响。结果表明：围护结构水平位移呈“中间大、两端小”的特征，随着开挖的不断加深，围护结构侧向位移的最大值位置也不断向下移动；底板和顶板的浇筑有效的控制了围护结构的变形；有限元软件计算结果与实测数据取得了较好的一致性，可有效的预测基坑工程围护结构的变形，为类似工程的设计与施工提供参考。

基坑；围护结构；侧向位移；数值模拟

随着城市的日益发展，城市中心的土地资源变得日益匮乏。对于上海这样土地资源紧缺的城市，特别是中心城区，为了有效的利用土地，建筑物不断向高空和地下发展[1-2]。城市人行地道可以有效解决城市人口密集区域的交通拥挤和行人安全问题，对保证行人安全，提高城市运行效率有重要作用[3]。同时，近几年来随着城市轨道交通的发展，许多地铁车站乘客出入口与人行地下通道规划在一起[4-6]。对于人口密集的商业中心，地下人行通道对于解决行人过街问题具有重要意义[7-9]。由此可见，城市人行地道通常是在城市建筑密集区域内施工，周围往往分布较多的既有建筑，因此施工过程中对基坑的变形控制要求比较严格，所以施工过程中对基坑支护结构的变形监测不可或缺，对支护结构变形机理的研究已成为工程技术人员重点关注的课题[10-14]。同时针对实际工程的有限元模拟也被大量用于工程实践之中[15-16]。

本文结合大量监测数据，通过对比不同测点在基坑不同开挖阶段的变形曲线，总结了人行地道基坑施工过程中地下连续墙的侧向位移规律。同时，利用数值软件PLAXIS对基坑施工过程进行了模拟，获取了维护结构的侧向位移数据，将其与监测数据做了对比分析，总结了基坑施工过程中维护结构的位移机理并系统分析人行地道基坑工程设计施工的合理性，提出减小变形的措施，这对确保周边建筑及围护结构作用的正常发挥具有重要意义，可以为类似工程的设计和施工提供参考。

1　工程概况及地质条件

1.1工程概况和周边环境

上海市茅台路人行地道工程位于茅台路和娄山关路路口，穿越茅台路，是连接茅台路两侧金虹桥国际中心和长房国际广场地下室之间的人行地道。主通道采用4.2 m×6.9 m矩形顶管法施工，工作井设置在茅台路南侧靠近金虹桥国际中心，接收井设置在茅台路北侧靠近长房国际广场预留通道接口处。

1.2水文地质概况

根据工程地质勘查报告，主要根据土的结构特征以及土的物理力学性质指标等综合分析，共划分5个工程地质层及1个亚层，自上而下依次为：① 杂填土；② 粉质黏土；③ 淤泥质黏土；④ 黏质粉土；⑤ 粉质黏土。表1给出了基坑影响范围内各土层物理力学性质指标。

表1　基坑影响范围内各土层物理力学性质参数

根据工程地质报告，拟建场地浅部土层中的地下水属潜水类型，其补给来源主要为大气降水和地表径流，雨季期间地下水位普遍升高。地下水位埋深在2.30 m～2.70 m之间，相应标高在0.58 m～0.53 m之间。拟建场地未发现承压含水层，不考虑承压水的影响。

2　支护及监测方案

2.1工作井支护方案

顶管工作井后靠背一侧采用现有金虹桥地下室墙，其余三侧外围采用Φ800钻孔灌注桩加单排Φ700双轴深层搅拌桩作为抗渗帷幕。地面标高3.13 m，底板面标高-9.2 m，井深13.13 m。钻孔灌注桩桩底标高-22.1 m，桩长25.23 m。深层搅拌桩底标高-14.00 m，桩长17.13 m。底板厚800 mm，井底搅拌桩加固5 m。深层搅拌桩外侧与金虹桥地下室外墙角部采用6根800@600高压旋喷桩加固，加固后无侧限抗压强度达到0.6 MPa以上。基坑工程安全等级为一级，环境保护等级为一级。详见图1。

2.2接收井支护方案

顶管接收井采用钻孔灌注桩加搅拌桩的基坑形式，内边尺寸7.2 m×21.2 m。一侧采用现有长房国际地下室外墙，其余三侧外围Φ800钻孔灌注桩加单排Φ700双轴深层搅拌桩作为抗渗帷幕。地面标高3.13 m，底板地面标高-9.2 m，井深13.13 m。灌注桩底标高-22.1 m，桩长25.23 m。深层搅拌桩桩底标高-14.00 m，桩长17.13。底板厚800 mm，井底搅拌桩加固厚5 m。深层搅拌桩外侧与长房国际地下室外墙角部采用6根800@600高压旋喷桩加固，如图1所示。

基坑工程安全等级为一级，环境保护等级为一级。

图1基坑平面及测斜点布置图

2.3监测方案

本文主要研究基坑工程围护结构侧向位移的变化规律。监测围护体测斜是对基坑开挖阶段围护体纵深方向的水平位移进行监控，及时掌握基坑变形的动态信息。一般按基坑每15 m～20 m设置1孔，共布设7孔(CX1～CX7)，如图1所示。

基坑工程围护结构侧向位移采用北京航天测斜仪进行测试，在围护桩施工时，将带有导槽的PVC测斜管辅以钢筋焊接在型钢上随其一起下放，测斜管管径为Φ70 mm，内壁有二组互成90°的纵向导槽，导槽控制了测试方位。埋设时，让一组导槽垂直于围护体，另一组平行于基坑墙体。测试时，测斜仪探头沿导槽缓缓沉至孔底，在恒温一段时间后，自下而上逐段测出X方向上的位移。同时用光学仪器测量管顶位移作为控制值。在基坑开挖前，分二次对每一测斜孔测量各深度点的倾斜值，取其平均值作为原始偏移值。“+”值表示向基坑内位移，“-”值表示向基坑外位移。

在接收井和工作井基坑土体开挖过程工的监测历程为：接收井自2011年09月01日第一层土开挖开始起，到2011年10月18日土方开挖基本完成。2011年11月03日，接收井基坑大底板全部浇筑完成，监测频率为1次/1 d。工作井自2011年12月05日工作井第一层土方开挖开始起，至2012年01月02日，工作井土方开挖完成。2012年01月5日工作井底板全部浇筑完成，监测频率为1次/1 d。

3　实测结果分析

取具有代表性的测斜孔CX1 、CX2 、CX5 、CX6(测斜值报警值为40 mm，测点布置如图1所示)进行分析，其侧向变形随施工过程的变化曲线如图2～图5所示。

图2～图5为接收井和工作井各测点在基坑施工不同阶段下的围护墙体侧移曲线。由实测曲线可以看出：(1) 围护墙体侧移整体呈 “两端小中间大”的变化趋势，与一般情况下基坑围护墙体的变形特征相一致；(2) 在基坑施工不断加深的过程中，围护墙体水平位移也不断增大；(3) 在基坑施工不断加深的同时，围护墙体侧向位移的最大值位置也不断向下移动。且一直在开挖面上下浮动。(4) 在开挖完成到顶底板浇筑完成过程中，墙体仍有水平位移发生，但墙体的水平位移与开挖过程中的变形相比较小。分析图4、图5还可以发现某些测点的水平位移在底板浇筑后出现减小的趋势，这表明底板和顶板的浇筑对维护结构水平位移有显著的抑制作用，有效的控制了围护结构变形的发展。

图2　CX1点测斜曲线

图3CX2点测斜曲线

4　数值模拟分析

在有限元数值模拟中，考虑到矩形基坑围护结构最大变形往往出现在坑边的中部，且二维问题模型简单，计算时间远小于三维问题，因此本文将基坑简化为平面应变问题进行建模。本文采用PLAXIS软件，建立了图1中C-C截面的计算模型。

模型深度方向取值为40 m，宽度为80 m，位移边界条件设置为模型左右边界的水平方向位移为零，竖直方向不限制位移，下边界完全固定。模型采用了PLAXIS自动生成网格技术，将全局疏密度选为“细”，并采用了“加密线”操作对模型中连续墙和底板附近的网格适当加密以提高计算的准确性。

图6所示是基坑计算示意图以及计算完成后位移云图。图7所示为测点CX2的围护结构在基坑施工过程中的变形曲线。

图4　CX5点测斜曲线

图5CX6点测斜曲线

由图6可以看出在基坑开挖完成时，土体位移最大值发生在坑底角点位置，这与一般基坑开挖过程中土体的位移规律相一致。分析图7中数值计算的围护墙体变形曲线可以发现，随着开挖的进行，围护结构的水平位移逐渐增大，最终呈现两端小、中间大的形态。同时，侧移的最大值出现在开挖面附近，且随着基坑施工深度的加深，最大值位置也不断下降。

图6　开挖完成时土体位移云图

图7CX2点围护结构侧向位移模拟结果

对比图3和图7中CX2实测数据和数值模拟结果可以看出：(1) 实测数据和模拟结果的变形形态基本一致，都表现为两端小，中间大的规律；(2) 实测数据的最大值和模拟结果的最大值基本一致，实测数据的最大值为25 mm，模拟结果的最大值为29.8 mm，模拟结果略大于实测数值。分析原因，主要是由于在实际开挖之前，对基坑附近土体进行了加固处理，而数值计算没有考虑土体加固的影响；(3) 实测数据侧向位移最大值位置与数值模拟侧向位移最大值位置基本一致，模拟结果最大值位置比实测数据略靠下，分析原因主要是由于模拟计算过程中的理想化假设不能充分反映现场复杂场地和地址条件的影响。

5　结　论

本文结合大量现场监测数据并利用有限元分析方法，对基坑开挖过程中围护结构侧向变形规律进行了系统分析，得出以下结论：

(1) 围护结构侧向变形呈现“两端小中间大”的规律，且随着开挖深度不断加深，围护结构侧向位移的最大值也不断向下移动，底板和顶板的浇筑有效的控制了围护结构的变形。

(2) 数值模拟可以很好的反映围护结构在开挖过程中的变形规律，在墙体的整体变形形态、最大值以及最大值位置都与实测数据具有较好的一致性，可以据此估计基坑开挖过程中的变形，为类似工程的设计与施工提供参考。

(3) 由于实测数据的限制，本文未能分析基坑施工过程中墙后土体竖向位移的变化特性，而墙后土体竖向位移也是基坑开挖过程中的重要指标，这也是本文作者进一步的工作。

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Foundation Pit Monitoring and Numerical Simulation of one Pedestrian Underpass in Shanghai

ZHOU Jin

(ShanghaiGeological&MineralEngineeringInvestigationCo.,Ltd,Shanghai200072,China)

Based on a large amount of experimental data, the rules was analyzed about the retaining structure deformation during excavation process. And a finite element model was developed to study the deformation of retaining structure. The rules of retaining structure deformation during excavation process and the influence on retaining structure deformation of bottom plate and top plate was studied by comparative analysis of monitoring lateral deformation and numerical simulation data. The result shows that the deformation of retaining structure is the trend of big middle and small ends. Along with the excavation depth increasing, the maximum lateral displacement of diaphragm wall were constantly moving downward, the retaining structure deformation was effectively controlled by bottom plate and top plate. The results have better agreement with the measured data, which means the numerical method can be effective in the prediction of retaining structure deformation, and thus provide a reference for the design and construction of similar projects.

foundation pit; retaining structure; lateral deformation; numerical simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.040

2016-04-29

2016-05-21

周晋(1982—)，男，江苏武进人，工程师，主要从事基坑工程及物探工程方面的研究工作。 E-mail：264078412@qq.com

TU411

A

1672—1144(2016)04—0206—05