某城市地铁车站深基坑开挖的变形监测及施工仿真

关秋枫，王德咏

（1.中交珠海城际轨道交通投资建设有限公司，广州珠海519000；2.中交四航工程研究院有限公司，中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东广州510230）

某城市地铁车站深基坑开挖的变形监测及施工仿真

关秋枫1，王德咏2

（1.中交珠海城际轨道交通投资建设有限公司，广州珠海519000；2.中交四航工程研究院有限公司，中交交通基础工程环保与安全重点实验室，广东广州510230）

以某城市地铁车站基坑为研究背景，对基坑围护结构的变形监测方案进行设计，并对基坑围护结构变形的现场监测数据进行分析，重点分析基坑施工过程中地连墙的深层水平位移随基坑开挖深度的变化规律。对地铁车站深基坑开挖过程进行数值施工仿真，并与监测结果进行对比分析，围护结构位移变化趋势基本吻合，表明建立的有限元模型合理可信。再利用建立的三维有限元模型，预测基坑施工过程中维护结构的最大变形，以此指导后续施工，保证基坑开挖工程的安全。结果表明：连续墙+内支撑的围护形式能够有效地控制深基坑侧向变形，达到了确保深基坑和临近建筑物等安全的要求。研究结果对于地铁深基坑的变形监测与仿真分析提供了有意义的参考。

深基坑；开挖；变形监测；数值模拟

近些年，随着我国经济社会的发展和交通的需要，地铁正以其运量大、速度快、污染小的特点得到青睐，地铁的建设将是我国21世纪城市地下空间开发的重点。地铁的兴建，产生了大量的地铁车站基坑工程，其规模和深度不断加大，而且大规模修建的城市地铁一般分布在地质条件相对较差的沿海沿江经济发达地区，地铁线路又处于人流量较大的城市核心区域，周边既有的高层建筑、城市地下管道、文物古建筑、地下建筑、交通干线等复杂环境因素，这给当地的基坑工程建设带来了许多新的工程技术问题[1-3]。地铁深基坑工程因其地质因素和环境因素的特殊性具有开挖深度大、地下水丰富、施工周期长等特点[4-6]，不同土质、地区特点要求施工方式千差万别，这就影响了深基坑工程经验的通用性，在工程设计应用研究中要因地制宜地探究该地区基坑工程开挖变形的特点。

随着数值计算方法和基坑工程监测技术的迅速发展，基坑工程的控制原则由强度破坏极限状态向变形极限状态控制发展[7]。因此，本文以某城际铁路地铁车站基坑工程为研究对象，在基坑施工过程中，对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监测，并采用数值技术对铁路车站深基坑施工过程进行仿真模拟研究，进而获得围护结构的变形规律，提前预测开挖过程中基坑支护结构的最大变形及危险位置，进而指导基坑工程的设计和施工开挖过程。

1 工程地质及水文地质概况

1.1 工程地质概况

新建某城际铁路场区位于海积平原区，根据工程勘察结果，场地内埋藏的地层主要有回填土层、第四系海陆交互相沉积层、残积层，下伏基岩为燕山期花岗岩。工程场地自上而下的地层为：1）素填土、2）粉砂、3）淤泥、4）粉砂、5）淤泥质黏土、6）中粗砂、7）粉质黏土、8）中砂、9）粉质黏土、10）全风化花岗岩、11）强风化花岗岩（散体状）、12）强风化花岗岩（碎块状）、13）中风化花岗岩。

1.2 水文地质条件

车站场区距离海边30～300 m，地表水极其丰富，拟建车站范围内，根据地下水的分布特征，可分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。第四系松散岩类孔隙水主要赋存于场区浅部人工填土及其下部砂性土地层中，水量丰富，富水性好，砂土层透水性强。砂土层中地下水大部具有承压性。基岩裂隙水位于下覆燕山期侵入岩-花岗岩基岩裂隙水主要靠上层的孔隙水沿基岩裂隙下渗补给，水量贫乏，勘察结果未揭示。根据地质勘察报告，车站基坑底部存在砂层强透水层，并且临近海边地下水丰富，地下水对基坑施工有很大的影响。

2 支护设计及监测方案

2.1 基坑围护设计

车站为地下三层三跨明挖车站，采用岛式站台。明挖基坑围护结构采用1.2 m厚地下连续墙+内支撑的支护形式，车站主体结构基坑标准段开挖深度26.5 m，端头基坑开挖深度30.0 m，连续墙深度44～56 m。共设6～7道围囹支撑（端头井7道，标准段6道，另设1道换撑）。钢筋混凝土支撑、应力钢支撑平面布置图如图1所示，混凝土支撑截面尺寸分别为800 mm×800 mm，800 mm ×1 000 mm；钢支撑D=800 mm，t=16 mm。

图1 基坑围护结构图Fig.1Typical map of foundation pit enclosure structure

2.2 监测项目及方案

根据本工程的具体情况，依据有关规范的规定和围护结构的设计要求，本基坑工程的监测内容和项目见图2所示。

图2 监测点平面布置图Fig.2Layout chart of monitoring points

2.3 监测结果分析

在基坑开挖的施工过程中，随着坑内土体的挖除，地连墙外侧承受土的压力使得地连墙在水平方向产生位移。典型的开挖工况见表1所示。

表1 典型开挖工况Table1Typical excavation condition case

在监测方案中，对地连墙水平位移共计布置了36个测点，由于篇幅缘故，现选取2个典型断面测点的监测数据进行分析，2个测点分别为，小里程端基坑横向中部-CX1、标准段1/2里程处-CX9。

表2中统计了2个监测点在基坑开挖不同时期内的最大位移，从表2可以看出，随着开挖深度的增大，不同监测点的地连墙的水平位移都在逐渐增大。CX1处于端头井短边中部处，由于其处在基坑宽度方向，开挖地连墙的影响较小，此处的最大位移最小。基坑长边中部的CX9处的最大位移最大，体现了基坑开挖的空间效应。由相邻阶段最大位移的变化可知，由于在开挖2、开挖3阶段，位移的增加量急剧增大，在开挖4阶段有少量增加。这主要是由于在开挖3结束后，在后期开挖阶段，开挖深度已经过半，同时前3层为钢筋混凝土支撑，具有较强的抗压性能和稳定性，能够很好地作为内力支撑系统，延缓地连墙的变形。

表2 监测点地连墙最大位移Table 2Maximal monitoring displacement of retaining wall

3 有限元模型及验证

3.1 数值计算模型

铁路车站长为254 m，宽为30.4～38 m，在三维有限元计算中，在不影响计算结果的情况下适当减小模型宽度能够大量减少网格数量，减少边界处畸形网格的数量，对于加快计算速度提升收敛性有明显效果。经过试算，本次模型尺寸为650 m×316 m×416 m。在有限元模型中，假定上表面为自由边界，在下表面采用垂直于表面的位移或固端约束，模型侧面仅约束其水平向位移。

为保证计算结果的精度同时为控制三维模型整体的网格数量，在划分网格时，在基坑内部和基坑周边的网格划分较细，网格尺寸控制在1～4 m之间，在基坑边界处网格尺寸控制在20 m，中间网格大小由程序自动渐变划分。网格划分示意图见图3所示。

图3 地基计算模型及网格划分Fig.3Calculation model of foundation area and mesh scheme

3.2 计算参数的选取

土体单元采用修正莫尔-库伦Modified Mohr-Coulomb模型，根据现场岩土工程勘察和室内试验，基坑土体的力学参数见表3。

地连墙采用C40钢筋混凝土材料，根据混凝土材料及其配筋率换算地连墙的弹性模量E为34.7 GPa，墙截面等效厚度为1.2 m，泊松比取0.20，重度为25 kN/m3。钢支撑采用线弹性杆单元模拟，弹性模量取200 GPa，泊松比取0.25。在基坑开挖前已经进行了基坑降水处理，因此不考虑地下水对基坑围护结构变形的影响。

图4 开挖阶段典型监测点水平监测位移与数值结果对比Fig.4Comparison of monitoring displacement with numerical results at excavation phase

表3 各主要土层的物理力学指标统计表Table 3Physico-mechanical parameters of soils

3.3 计算与监测结果对比

以深层水平位移为主要指标，验证选取典型位置的监测点CX1和CX9两个点，CX9处于地连墙标准段1/2里程处，CX1处于端头井地连墙横向1/2里程处。验证工况为已开挖的工况1～工况4四个阶段。

图4是监测点CX1、CX9数值模拟数据与监测数据在开挖各阶段的地连墙水平位移对比图。

从图4可知，在开挖1阶段，监测点CX1、CX9的数值模拟和监测数据都反映出此时是出于“悬臂式”位移的阶段；开挖2阶段都处于“抛物线”变形阶段，CX9处的实际开挖变形小于模拟数值，CX1处的实际开挖变形与数值模拟值较一致；开挖3、开挖4阶段仍然处于“抛物线”变形阶段，两处监测点的实际开挖变形小于或接近模拟数值。数值模拟结果和监测结果所反映的趋势是相同的，说明本次建立的模型是科学合理的。

当然，对比前4个阶段的监测变形值，模拟结果仍有一定的误差，这是由于在施工过程中，基坑变形受到施工机械、施工方式、施工时间、气象、水文等综合因素的影响，在实际模拟中对这些因素做了适当简化，无法完全反映现实开挖的所有因素。

图5 典型监测点开挖阶段水平位移预测Fig.5Prediction of typical horizontal displacement at monitoring excavation stage

4 基坑开挖变形预测

利用已经验证的基坑开挖三维数值模型，继续模拟基坑在后续开挖5、开挖6、开挖7的变形情况。主要对地连墙的水平位移进行分析。

图5是监测点CX1、CX9对应位置的数值模拟测斜曲线，由图可知两者的变化规律基本一致。

分析两监测点可知，在开挖1阶段，地连墙呈现“悬臂式”位移，地连墙的嵌固深度较大，此时位移完全由地连墙自身刚度决定，最大位移点均位于地连墙顶部，监测点CX9最大位移为6.14 mm，监测点CX1最大位移为1.21 mm。

在开挖2、开挖3阶段，由于开挖深度较大均产生较大的位移变化，并产生了“抛物线”式的位移形态，两次开挖所增加的幅度都较大。地连墙的水平最大位移点也随着开挖深度的增大而向下移动，开挖3水平最大位移点处于开挖13 m附近，开挖3水平最大位移点处于18 m附近，都处于开挖面附近。监测点CX9处的顶端位移有一定程度的减小，而监测点CX1处的顶端位移进一步加大，这是由于监测点CX9处于横向支撑的顶端位置，开挖2、开挖3开挖后产生的土压力差使得地连墙绕支撑点向基坑外侧转动出现了地连墙顶部位移逐渐减小的趋势，而监测CX1点一来由于处在无支撑直接作用的地方，二来端头井开挖处主要是斜撑作用，上述效应不明显因而表现为顶部位移继续增大的趋势。

在开挖4阶段地连墙的水平位移进一步加大，但是其最大位移的幅度相对之前有明显的减小，CX9只增加了2 mm，相对增幅为9%，CX1只增加了0.9 mm，相对增幅为1.4%，此时共计开挖17.2 m。

开挖5、开挖6、开挖7阶段，监测点CX9处，地连墙的最大水平位移基本保持不变，监测点CX1处地连墙的最大水平位移也基本保持不变，即在开挖4结束后，地连墙的整体水平位移也基本保持不变，地连墙的最大水平位移基本保持不变，最大位移都出现在（H为地连墙高度）附近。第4、5、6道预应力钢支撑的施加有效地减小了开挖带来的大变形，地连墙标准段中部位移最大为23 mm，为开挖深度的0.1%。

由上述分析，钢筋混凝土支撑阶段的开挖1、开挖2、开挖3，都产生了较大变形，预应力钢支撑阶段开挖4、开挖5、开挖6、开挖7的变形增大幅度都相对很小，由此可见预应力钢支撑能很好地控制地连墙水平位移。

结合监测数据与模拟结果可以发现，实测值基本都小于计算值。同时，对比分析监测点CX9较监测点CX1在各开挖阶段的最大位移相差比率分别为5.08倍、4.06倍、3.45倍、3.27倍、3.27倍、3.26倍、3.23倍。由此可见基坑开挖过程中，不同空间处的地连墙水平位移相差较大，地连墙的水平位移具有很强的空间效应。数值模拟和监测数据都表明监测点CX9处的水平位移是整个地连墙水平位移最大处，根据数值模拟的规律可知，开挖4以后，基坑的最大变形值将保持稳定，数值模拟的地连墙最大水平位移为23.80 mm，故预测，本次基坑开挖地连墙的最大水平位移值在30 mm以内，位置处于基坑开挖深度的倍处，处在基坑报警值36 mm范围内。以此指导后续施工，保证基坑开挖工程的安全，这对提高工程安全性具有重要的意义。

5 结语

本文结合某城际铁路车站深基坑开挖工程建立了三维有限元模型，利用监测结果对数值模型进行验证；然后利用数值模拟预测了后续工况下基坑的变形规律和最大位移，得出以下几个结论：

1）基坑开挖工程中，地连墙的深层水平位移逐渐从未支撑时的“悬臂式”形态向“抛物线”形态变化。随着基坑开挖和支护施工，由于混凝土支撑良好的抗压性能，预应力钢支撑能抵消部分土、水压力，有效地延缓了支护地连墙水平方向的变形。

2）基坑地连墙变形存在明显的空间效应，不同空间处的最终位移存在一定比率关系。基坑第一步开挖对基坑和支护结构的变形影响很大，建议施工时先开挖塔吊桩基所在的横向基坑区域，及时支护，减少第一步开挖产生的变形，进而减少整体变形。

3）采用有限元数值分析方法对基坑开挖的施工过程进行了模拟研究，将计算结果与监测结果进行了对比，地连墙变形及基坑周围地表变形的基本趋势大体一致，体现了有限元计算模型的建立和参数选取的合理性。

4）通过数值仿真预测出基坑开挖地连墙的最大水平位移值为30 mm，在基坑报警值（36 mm）范围内，危险位置处于地连墙高度的倍处，

表明基坑围护结构设计是安全合理的，同时指导了基坑开挖施工过程。

[1]赵锡宏.大型超基坑工程实践与理论[M].北京：人民交通出版社，2004.

ZHAO Xi-hong.Practice and theory of super deep foundation pit engineering[M].Beijing：China Communications Press,2004.

[2]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）：1 013-1 017.

LIU Jian-guo,CHENG Liang-kui.Pit support technology development and engineering practice in Beijing[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(4):1 013-1 017.

[3]杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用[J].岩土力学，2004，25（12）：1 885-1 896.

YANG Guang-hua.Practical calculation method of retaining structures for deep excavations and its application[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(12):1 885-1 896.

[4]黄传胜.地铁深基坑开挖变形预测方法及工程应用研究[D].长沙：中南大学，2011.

HUANG Chuan-sheng.Research on excavation deformation forecasting methods of metro foundation pit and its application[D]. Changsha:Central South University,2011.

[5]庄海洋，吴祥祖，瞿英军.深软场地地铁车站深基坑开挖变形实测分析[J].铁道工程学报，2011，28（5）：86-91.

ZHUANG Hai-yang,WU Xiang-zu,QU Ying-jun.Analysis of the construction deformation of the foundation pit excavated for metro station built in soft site[J].Journal of Railway Engineering Society, 2011,28(5):86-91.

[6]刘兴旺，周葛源.北京朝阳广场深基坑支护技术[J].探矿工程：岩土钻掘工程，2006（10）：8-13.

LIU Xing-wang,ZHOU Ge-yuan.Bracing of deep foundation pit applied in Chaoyang square construction project[J].Exploration Engineering:RockandSoilDrillingandTunneling,2006(10):8-13.

[7]刘杰，姚海林，任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J].岩土力学，2010，31（S2）：456-461.

LIU Jie,YAO Hai-lin,REN Jian-xi.Monitoring and numerical simulation of deformation of retaining structure in metro station foundation pit[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(S2):456-461.

Deformation monitoring and construction simulation of deep foundation pit excavation in an urban metro station construction

GUAN Qiu-feng1,WANG De-yong2
（1.CCCC Zhuhai Intercity Railway Investment&Construction Co.,Ltd.,Zhuhai,Guangdong 519000,China;2.CCCC Fourth Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Key Laboratory of Environmental Protection&Safety of Communication Foundation Engineering，CCCC，Guangzhou,Guangdong 510230,China）

Based on the deep foundation pit excavation in an urban metro station construction,we designed the deformation monitoring program of foundation pit retaining structure,and analyzed in-situ monitoring data of the retaining structure deformation in the foundation pit,and mainly analyzed the laws of the horizontal deformation of the retaining structure changing with the excavation depth in the construction.We carried out the numerical simulation of excavation process of deep foundation pit in metro station,and compared with monitoring results,the trend of displacement change of retaining structure is basically consistent.It shows that the established finite element model is reasonable and credible.Then,3D finite element model is built to predict the maximum deformation of the retaining structure during the construction of the foundation pit,so as to guide the follow-up construction and ensure the safety of the excavation project.The results show that:the retaining form with steel support and supporting pile has good limit to the lateral deformation of the deep foundation pit,and meet the requirements of safety for deep foundation pit and adjacent buildings.The simulated results provide valuable reference for deformation monitoring and simulation analysis of deep foundation pit of metro.

deep foundation pit;excavation;deformation monitoring;numerical simulation

TU753

A

2095-7874（2017）06-0061-06

10.7640/zggwjs201706014

2016-11-01

2016-12-25

关秋枫（1973—），男，黑龙江绥化人，高级工程师，港口及航道工程专业。E-mail：gqiufeng@cccc4.com