软土区某地铁深基坑施工过程数值模拟及现场监测

徐 江 龚维明 穆保岗 刘博韬 张 琦 戴国亮

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)(东南大学土木工程学院, 南京 210096)

软土区某地铁深基坑施工过程数值模拟及现场监测

徐 江 龚维明 穆保岗 刘博韬 张 琦 戴国亮

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)(东南大学土木工程学院, 南京 210096)

为研究软土区地铁深基坑围护结构变形及周边土体位移特性,运用ABAQUS软件对软土区某地铁深基坑施工过程进行建模分析和安全监测,并将计算结果与实测数据进行对比分析．结果表明:采用摩尔库伦模型模拟基坑施工过程得到的地连墙水平位移结果准确,墙体最大水平位移的平均计算误差为实测值的15%,周边土体沉降计算值与实测值相比偏小;开挖最后一层土体且开挖面附近无支撑作用时,墙体水平变形明显增大,长边中点断面及端部断面变形增量分别为9.1和10.5 mm,安全监测应以开挖面附近地连墙水平位移变化速率为控制指标;狭长型深基坑长边中点断面及端部断面地连墙变形差异较大,应针对不同位置分别制定变形监测预警值;支撑轴力在开挖下一层土体时会出现较大突变,设计应充分考虑该突变对支撑安全储备的影响,监测应重点关注突变前后支撑轴力的变化．

软土区地铁深基坑;有限元分析;现场监测;围护结构变形

目前,我国存在大量的在建地铁或拟建地铁项目,随之而来的是地铁车站深基坑工程,基坑的深度和规模逐渐向超深、超大的方向发展．由于城市建筑物密集,大多数基坑不具备放坡开挖的条件,因此深基坑在开挖过程中的安全问题始终是岩土工程领域的一个热点问题．受地质历史时期的海侵和海退影响,沿海地区往往广泛分布有深厚的海陆交互相沉积软黏土．该类软黏土抗剪强度低、承载力低、灵敏度大、含有较多贝壳及腐植物、孔隙比大、极易被扰动,且被扰动后土体性质急剧降低难以恢复,易产生触变、流变,容易引起地基变形和失稳,因此,这类地质条件下的深基坑工程往往面临着更大的挑战．文献[1-8]针对软土地区多个深基坑的实测结果进行了研究和总结,分析了软土地区深基坑围护结构变形特性及周边地表变形性状．王源等[9]根据现场监测数据,研究了南京长江隧道浦口深基坑开挖时土体沉降与水平位移、坑底隆起、地下水位、支护桩内力、支撑轴力和水土压力的变化规律．冯虎等[10]建立了上海地区超深基坑工程数据库,发现软土层厚度与基坑变形有着密切的关系,对于软弱土层的厚度不大于50%H(H为基坑围护墙深度)的基坑,其最大变形不超过0.250%;对于软土层厚度大于50%H的基坑,其平均最大变形达到0.303%．为了进一步研究软土区地铁深基坑围护结构变形特性,本文以佛山市某地铁深基坑工程项目为依托,运用ABAQUS软件对基坑开挖—加支撑过程进行了全工况模拟．针对分析所得的危险区域制定了具有针对性的监测方案,并结合后期现场实测数据进行了综合对比和分析,为软土区深基坑工程分析及设计提供了参考．

1 工程概况

1.1 基坑

车站为佛山市城市轨道交通二号线工程一期工程中间站,车站基坑长度为217.0 m,基坑标准段宽度为19.2 m,基坑两端宽度为27.8 m,开挖深度为16.8 m．车站主体围护结构采用地下连续墙+支撑的支护结构形式,地连墙厚800 mm,共设4层支撑:第1层采用C30钢筋混凝土米字形支撑,标准段支撑截面尺寸为800 mm×1 000 mm,车站两端扩大区域采用斜撑,截面尺寸为700 mm×1 000 mm;第2层标准段采用φ800 mm×16 mm钢支撑,车站两端为混凝土斜撑,截面尺寸为700 mm×1 000 mm;第3,4层标准段采用双拼φ609 mm×16 mm钢支撑,两端为混凝土斜撑,截面尺寸分别为1 000 mm×1 000 mm 和700 mm×1 000 mm．基坑标准断面支护结构如图1所示,其余各层支撑布设位置与第1层基本一致(见图2)．基底及基底以上存在较大厚度的淤泥质土及粉细砂,为保证地下连续墙成槽安全,在地连墙两侧设置了搅拌桩．基坑周边环境简单,无近邻的大型建筑,沿基坑东北侧有几栋2层民宅,距离基坑较远．

图1 基坑支护结构剖面图(单位:mm)

1.2 地质条件

2 有限元分析

2.1 建模

建立三维1∶1有限元模型,模型尺寸为318 m×150 m×50 m．根据实际地层情况建立土体模型,土体共分9层,土体及地下连续墙模型为实体模型,支撑体系选用梁单元模型.地连墙、土体及支撑模型见图3．实体单元网格类型为C3D8R八节点线性六面体单元,利用单精度辐射状网格划分方法,对地连墙及周围15 m范围内的土体网格进行细化和加密处理．土体与墙体间的接触采用面面接触模型,每层土体土性不同使得各层土体与墙体的摩擦系数也不相同．接触面建立过程中, 按照不同土层分别建立接触面,其中墙体内外表面为内外接触面对的主面,墙内及外部的土体界面为从面．接触属性中限制法向刚度和切向刚度,法向刚度采用硬接触,并允许接触后分离．切向刚度选用罚函数,各接触面摩擦系数按照不同土体的内摩擦角计算求得．地连墙与支撑体系之间选用嵌入接触,支撑体系作为内嵌体,地连墙为嵌固区域．基坑周边无近邻的大型建筑,东北侧几处民宅整体荷载小且距离基坑较远,对基坑围护结构影响较小,因此在建模计算过程中未考虑其荷载对基坑围护结构的影响．

图2 基坑支护结构平面布置图(单位:m)

表1 主要地层参数

(a) 地连墙及土体模型

(b) 支撑模型

2.2 计算参数

地连墙材料属性为弹性模型,弹性模量取30 GPa．各层土体均采用以摩尔-库伦屈服条件为破坏准则的理想弹塑性模型．内支撑为梁单元,选用弹性模型,钢支撑弹性模量为209 GPa,钢筋混凝土支撑弹性模量为30 GPa．各土层计算参数值见表1．

2.3 计算步骤

按照施工过程进行分析步设计,通过设定网格单元的生死来模拟施工步骤．具体分析步骤为:① 平衡初始应力场;② 地连墙施工;③ 开挖第i(i=1,2,…,5)层土体,并布设第k(k=1,2,3,4)层支撑,其中开挖1～5层土体层厚分别为1.7,3.4,3.0,4.0,4.7 m．

2.4 计算结果

2.4.1 地连墙水平位移

图4为基坑开挖过程中的地连墙水平位移云图．图中,U3表示地连墙沿水平方向(Z轴方向)位移．图5给出了各工况地连墙长边中点断面和标准段端部断面(图4(b)中箭头标识)墙体水平位移,图中工况1～工况9依次表示:开挖第1层土体、布设第1层支撑、开挖第2层土体、布设第2层支撑、开挖第3层土体、布设第3层支撑、开挖第4层土体、布设第4层支撑、开挖第5层土体．由图可知,每个工况下墙体水平位移最大值均位于基坑长边的中点区域,基坑逐步开挖过程中,地连墙水平位移逐步增大,变形最大位置沿墙身逐渐向下移动．开挖至基底后,墙体最大水平位移为31.45 mm,标准段端部断面最大水平位移为20.91 mm,最大水平位移位置都在墙顶以下14 m处．

(a) 开挖第1层土体

(b) 开挖第5层土体

(a) 长边中点断面

(b) 标准段端部断面

2.4.2 基坑周边土体沉降

图6为基坑开挖过程中的周边土体竖向位移云图．图中,U2表示基坑周边土体沿竖直方向(Y轴方向)位移．图7给出了各工况长边中点断面和标准段端部断面(图6中箭头标识)土体沉降．由图可知,每个计算工况周边土体沉降最大值均位于基坑长边中点区域,沿基坑长边呈条形分布．随着基坑逐步开挖,沉降影响范围也逐渐扩大, 开挖至基底后,土体沉降最大值为15.45 mm,发生在距基坑边缘7.54 m处,周边土体沉降影响范围约为35 m,主要影响范围约为19 m．

图6 周边土体沉降云图

2.4.3 支撑轴力

每个工况支撑轴力峰值都出现在基坑长边中点区域,基坑端头部分斜支撑轴力相对较小． 开挖第5层土体至基底时,各层支撑轴力峰值从大到小依次为第1层支撑、第4层支撑、第2层支撑、第3层支撑．

3 监测方案及数据

3.1 监测点布设

监测内容包括围护结构变形(墙体测斜)、支撑轴力、周边土体地表沉降、坑外地下水位等．适当增加了数值计算中受力及变形较大区域的监测点数量:在基坑长边中点区域,加密测斜管的布置;在基坑长边中点区域及标准段两端处增加土体沉降监测点的数量,每个监测断面设置5个沉降监测点(图8(a)中方框标出区域),5个监测点距基坑边缘依次为1.5,5.0,11.0,21.0,35.0 m,其余断面布设3个监测点．基坑周边共布设113个土体沉降点(编号DBC-001～DBC-113),地连墙内共埋设32孔测斜管(编号ZQT01～ZQT32),第1层～第4层支撑每层布设12组轴力计(以第1层支撑为例,轴力计编号为ZCL-01-01～ZCL-12-01),4层支撑同一平面位置处的4组轴力计组成一个监测断面,共12个监测断面(监测断面编号为ZCL-01～ZCL-12,以监测断面ZCL-01为例,第1层～第4层基坑长边中点区域及标准段两端处增加土体沉降监测点的数量,每个监测断面设置5个沉降监测点(图8(a)中方框标出区域),5个监测点距基坑边缘依次为1.5,5.0,11.0,21.0,35.0 m,其余断面布设3个监测点．基坑周边共布设113个土体沉降点(编号DBC-001～DBC-113),地连墙内共埋设32孔测斜管(编号ZQT01～ZQT32),第1层～第4层支撑每层布设12组轴力计(以第1层支撑为例,轴力计编号为ZCL-01-01～ZCL-12-01),4层支撑同一平面位置处的4组轴力计组成一个监测断面,共12个监测断面(监测断面编号为ZCL-01～ZCL-12,以监测断面ZCL-01为例,第1层～第4层轴力计编号为ZCL-01-01～ZCL-01-04)．图8(a)为监测点半平面布置图,基坑标准断面监测点布置如图8(b)所示．

(a) 长边中点断面土体沉降

(b) 标准段端部断面土体沉降

图7 各工况周边土体沉降

(a) 半平面布置图

(b) 标准断面布置图

3.2 地连墙测斜数据

图9为ZQT25(位于基坑长边中点)及ZQT30(位于标准段端部)的测斜数据．由图可见,基坑在开挖过程中,ZQT25测斜管处地连墙最大水平位移为35.50 mm,最大位移发生在墙顶以下14.5 m处;ZQT30测斜管处连墙最大水平位移为25.89 mm,最大位移发生在墙顶以下12.0 m处．

(a) ZQT25

(b) ZQT30

3.3 周边土体沉降

选取DBC-083～DBC-087(基坑长边中点)及DBC-004～DBC-008(标准段端部)监测点的沉降数据．如图10所示,基坑开挖至基底时,DBC-083～DBC-087断面内DBC-085点沉降最大,最大沉降为42.88 mm,测点位置距基坑边缘11.0 m;DBC-004～DBC-008断面内DBC-007点沉降最大,最大沉降为32.71 mm,测点位置距基坑边缘5.0 m．

(a) DBC-083～DBC-087

(b) DBC-004～DBC-008

3.4 支撑轴力

图11为第1层～第4层支撑轴力监测值．由图可知,第1层～第4层支撑轴力最大测值都位于监测断面ZCL-07内．各层支撑轴力最大测值从大到小依次为第1层、第4层、第2层、第3层．图12为ZCL-07断面内ZCL-07-01～ZCL-07-04轴力计在各工况下的测值曲线．由图可知,上一层支撑轴力测值在开挖下一层土体时增大明显,会出现较大突变,待下一层支撑安装完成并发挥作用后,上一层支撑轴力测值减小．以第1层支撑ZCL-07-01为例,开挖第2层土体后,ZCL-07-01轴力测值增大,布设第2层支撑后,ZCL-07-01轴力测值减小．土体开挖过程中,各层轴力测值多次出现增大—减小的过程,曲线整体呈折线形．第1层支撑轴力测值整体较大,最大测值1 734 kN．对于工况2～工况9,ZCL-07-01轴力测值依次为480,1 263,898,1 689,1 460,1 734,1 046,1 492 kN．第1层支撑轴力测值曲线的4个波谷点对应工况分别为布设第1层～第4层支撑,4个波峰点对应工况分别为开挖第2层～第5层土体．工况2的支撑轴力测值为480 kN,工况3则变为1 263 kN,增大了2.6倍．工况5的支撑轴力测值较工况4增大了1.9倍,工况7较工况6增大了1.9倍,工况9较工况8增大了1.4倍．因此,在设计中应充分考虑这种突变对支撑安全储备的影响,在监测过程中应重点监测此过程中支撑轴力的变化．

图11 各层支撑轴力监测值

图12 各工况下轴力计ZCL-07-01～ZCL-07-04的监测值

4 有限元结果与监测数据对比分析

4.1 地连墙水平位移

ZQT25,ZQT30的实测值和相应位置处的有限元计算结果对比见图13．经过对比分析可知,有限元分析得到的墙体变形规律与实测得到的墙体变形规律吻合,ZQT25和ZQT30处地连墙变形计算与实测的差值分别为4.07和4.98 mm(分别占实测值的11%和19%),平均计算误差(约4.5 mm)为实测值的15%,数值差异较小,说明建模及土体参数取值合理,整体模拟精度较高．

(a) ZQT25

(b) ZQT30

开挖第5层土体至基底时引起的墙体变形显著,计算和实测的变形增量分别为9.1和10.5 mm,呈明显的非线性增长．主要原因是,坑底及以上部分位于淤泥质土及粉细砂中,被动区土体性质差,开挖面以上支撑刚度较大,导致水平变形向下发展,从而出现变形明显且变形位置明显下移现象,计算及实测得到地连墙最大水平位移位置距离墙顶分别为0.83he和0.86he(he为基坑开挖深度)．因此,在基坑开挖至基底过程中应重点关注开挖面附近围护结构水平位移的变化速率．

墙体水平位移的计算和实测最大值都超过设计规定的控制标准(≤0.25%he,且<30 mm),但围护结构仍能发挥其正常的作用,围护结构长边中点断面及端部断面变形差异较大．目前,地铁基坑大都为狭长型基坑．结合文献[1-2,10]中的数据可以发现,对于软土区的狭长型深基坑,基坑不同位置处的变形具有明显差异,因此规范中的变形统一标准有待进一步细化．

4.2 周边土体沉降

DBC-021～DBC-025,DBC083～DBC-087,DBC-004～DBC-008,DBC-100～DBC-104断面实测值和对应位置处的有限元计算结果对比见图14．

(a) DBC-021～DBC-025,DBC-083～DBC-087

(b) DBC-004～DBC-008,DBC-100～DBC-104

监测数据表明,DBC-021～DBC-025和DBC-083～DBC-087断面,DBC-004～DBC-008和DBC-100～DBC-104断面沉降曲线的沉降最大值位置分别位于距基坑5和11 m处．由于监测点数量有限,监测结果具有离散性,因此,真正的沉降最大值位置位于距离基坑边缘5～11 m处,即基坑长边中点断面和标准段端部断面处沉降最大值位置都位于实测沉降曲线两峰值之间,该结果与有限元计算结果一致．有限元计算得到的周边土体沉降与后期现场实测规律吻合,最大沉降位置准确,能良好地反映基坑开挖过程中周边土体的变形规律,但实测地表沉降值远大于有限元计算结果,主要原因在于:

1) 建模中土体为摩尔-库伦模型,为理想弹塑性模型,其实质为线弹性模型加上摩尔库伦破坏准则．它能够描述土体的塑性变形并反映土体的破坏行为,但其在达到破坏之前的应力-应变关系是弹性的,因此在模拟非线性变形的过程中具有局限性．

2) 实际施工过程中,地连墙多处墙幅接头位置出现过不同程度渗漏水情况,并导致坑外地下水位出现明显变化,排水固结过程导致土体沉降明显．

3) 实际施工过程中存在不同程度的机械扰动及超挖现象,而模拟过程中未能考虑机械扰动、超挖及时空效应对周边土体沉降的影响．

4.3 支撑轴力

数值模拟的支撑轴力及变形规律与实测结果吻合,在数值上存在一定差异．主要原因在于,模拟基坑开挖是一种理想的整体开挖过程,而实际工程中开挖方式、支撑安装时机等因素都会对支撑轴力产生较大影响．基坑开挖过程中,支撑轴力测值在开挖下一层土体时显著增大,有明显的突变现象,待下一层支撑安装完成并发挥作用后,上一层支撑轴力测值明显减小,曲线整体呈折线形．基坑开挖过程中第1层支撑轴力测值整体较大,最大轴力测值出现在第1层支撑ZCL-07监测断面内．第4层支撑轴力测值也较大,原因在于开挖第5层土体后墙体变形较大且第4层支撑以下至基底范围内再无其他支撑作用．

5 结论

1) 采用摩尔库伦模型对基坑开挖过程进行了模拟．计算结果表明,围护结构变算值较准确,平均计算误差(约4.5 mm)约为实测值的15%,周边土体沉降的计算值较实测值偏小,误差较大．

2) 数值计算及现场监测结果表明,在基底及基底以上区域存在软弱土层的软土区,开挖最后一层土体且开挖面附近无支撑作用的情况下,墙体水平变形明显增大,被动区土体性质差导致水平变形向下发展,从而出现变形位置明显下移的现象．因此,在基坑开挖至基底的过程中,监测工作应以开挖面附近围护结构水平位移变化速率为控制指标．

3) 狭长型深基坑长边中点断面及端部断面围护结构变形差异较大,现有规范有待进一步细化．因此,在实际工程中,安全监测方案应对基坑不同位置分别制定具有针对性的围护结构变形监测预警值．

4) 计算及实测结果都表明,在基坑开挖过程中,支撑轴力在开挖下一层土体时测值明显增大,会出现较大突变．因此,在设计中应充分考虑这种突变对支撑安全储备的影响,在监测过程中应重点监测此过程中支撑轴力的变化．

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Numerical simulation and monitoring on construction process of deep pit of subway station in soft clay

Xu Jiang Gong Weiming Mu Baogang Liu Botao Zhang Qi Dai Guoliang

(Key of Laboratory for Concrete and Pre-Stressed Concrete Structure of Education of Ministry, Southeast University, Nanjing 210096, China)(School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To study the deformation of deep pit and surrounding soil displacement in the soft soil area, the software ABAQUS was used for modeling analysis and safety monitoring of the construction process of a subway deep pit in soft soil area. The calculation results were compared with the measured data. The results show that when the Mohr Coulomb model is used to simulate the construction process of pit,the horizontal displacement of the wall calculated is accurate and the average calculation error of the maximum displacement of the wall is 15% of the measured value. The calculated settlement of the surrounding soil is smaller than the measured value. When the last layer of soil is excavated and there is no supporting action near the excavation surface, the horizontal deformation of the wall increases obviously. The increment of the deformation of the long-side mid-point section and that of the end section of the long-side are 9.1 and 10.5 mm, respectively. The change rate of the horizontal displacement of the diaphragm wall near the excavation surface should be taken as the control index of safety monitoring. The mid-point section of the long-side and the end section of the long-side have different wall deformation in long deep pits. The warning values of the deformation monitoring should be set for different positions. The axial force of the support exhibits a large mutation when the next layer soil is excavated. The impact of the mutation on the support safety reserve should be taken into account in the design, and the change of the axial force before and after mutation should be focused on during monitoring.

deep pit of subway station in soft clay; finite element analysis; monitoring; deformation of retaining structure

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.029

2016-09-25. 作者简介: 徐江(1988— )，男，博士生；龚维明(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，wmgong@seu.edu.cn．

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目、江苏省普通高校研究生科研创新计划资助项目(KYLX16_0238)、国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2013CB036304).

徐江,龚维明,穆保岗,等.软土区某地铁深基坑施工过程数值模拟及现场监测[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(3):590-598.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.03.029.

TU476.3

A

1001-0505(2017)03-0590-09