地铁车站深基坑变形监测与有限元模拟对比分析

陈 伟

[英泰克工程顾问（上海）有限公司， 上海 200120]

0 引 言

随着城市化步伐的加快，交通拥堵现象越发突出，地铁作为城市高效的交通工具越来越受到人们的青睐。地铁建设必然涉及深基坑开挖，其基坑开挖深度一般大于 10 m，因而深基坑在开挖过程中支护结构的稳定性便成为工程人员关注的焦点。众所周知，深基坑变形大，尤其在软土地区，高含水率、高压缩性、低强度特性会使基坑在开挖过程中造成更大的变形[1]，极易引发严重的工程事故。例如，2008 年杭州地铁湘湖站的基坑坍塌事故致使 21人死亡，经济损失高达 4 961 万元[2]。由此可见，将现场监测成果[3]与数值模拟[4]分析相结合，来有效控制基坑变形，是现代信息化设计和施工的一大方向，而有限元软件也成为基坑开挖相关问题研究的强有力的工具[5]。

本文以南京地铁 5 号线下关站深基坑工程为例，借助现场监测数据并结合有限元分析法，对正在施工的基坑安全进行分析，起到了较好的效果，对下一步指导基坑安全施工和类似基坑工程设计和施工起到了一定的借鉴作用。

1 工程概况

1.1 车站概况

南京地铁 5 号线下关站为 5 号线和 9 号线换乘站，位于江苏省南京市中山北路与热河南路交叉口。该车站为 13 m岛式站台，2 层地下室，车站标准段外包宽度为 22.65 m～22.72 m，车站主体结构外包总长为 336.6 m。车站顶板覆土 2.87 m～4.42 m，标准段底板埋深 17.2 m～18.1 m，端头井底板埋深 19.2 m～19.4 m，换乘段埋深 25.9 m。车站主体为地下 2 层 3 跨矩形框架结构，采用明挖顺做法施工（局部采用盖挖）。

1.2 工程地质条件

拟建车站地貌类型属长江江漫滩平原区，地势较平坦。地面高程 7.5 m～10.0 m，现场地为道路。场区表层普遍分布人工填土，厚度变化较大，以杂填土、素填土为主。上覆土层以淤泥质粉质黏土、粉质黏土和粉砂为主，下伏基岩为白垩系浦口组泥质粉砂岩。距离场区较近的地表水体为长江，距离场区西侧约 700 m，对本项目影响不大。场区地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水，松散岩类孔隙水有孔隙潜水及孔隙承压水。根据地质勘查报告，主要物理力学指标如表 1 所示。

表 1 各土层物理力学指标

1.3 西端头围护结构设计

车站主体基坑选用地下连续墙（以下简称“地连墙”）+水平内支撑支护体系。西端头围护结构采用 800 mm 厚的地连墙，第一道设置混凝土支撑，其余 3 道均为 Φ609×16钢支撑和一道换撑，混凝土下方设中间临时立柱。

2 二维有限元模型建立

本文采用商业有限元分析软件 MIDAS/GTS NX 建立基坑模型，结合车站基坑形状建立几何图形并导入 MIDAS/GTS NX，输入表 1 中提供的物理力学参数；然后对每一区块进行网格划分，吸取结构单元，赋予其力学属性；接着定义边界条件和约束；最后按照实际的施工步骤对模型进行计算。在本模型中，土体采用常用的摩尔-库伦模型，地连墙、内支撑和立柱采用符合其受力特性的梁单元模拟。

3 基坑开挖监控内容分析

3.1 监控内容分析

现场西端头开挖深度达到 6 m～7 m，已架设完成第二道支撑，结合各监测数据，分析深层土体水平位移和墙顶竖向沉降情况。

3.1.1 深层水平位移

深层水平位移监测点预先埋设在车站围护结构中，按设计提供的监测图断面沿基坑周边每隔 20 m 左右布设一根测斜管，测斜管埋设深度为围护结构深度的 1.5 倍。现场共计 15 根测斜管，分别设为 ZQT01－ZQT08、ZQT26－ZQT32，使用测斜仪采集各深度处的水平位移。具体计算公式为

式中：ΔXi表示i深度的累计位移；Xi表示i深度的本次坐标；Xi0表示i深度的初始坐标；Aj表示仪器在 0° 方向上的读数；Bj表示仪器在 180° 方向上的读数；C表示探头标定系数；L表示探头长；θj为倾角。

3.1.2 墙顶竖向沉降

墙顶竖向沉降应沿其结构体延伸方向布设，监测点的布设位置和数量按照设计要求布设，将监测点采用电钻钻孔方式布设“I”型标志点于支护结构顶部，观测时将水准尺直接放置于“I”型标志点顶部。本项目共布设 15 个测点，分别设为 ZQC01～ZQC08、ZQC26～ZQC32，从基准点出发，采集各监测点的高程，确定出墙顶沉降量。在首次观测前，必须连续测 3 次，取平均值作为各测点的初始高程。

3.2 监控预警分析

在施工过程中，监测数据一旦达到预警指标应及时发布预警通知并采取相应措施。依据 DGJ32/J 195－2015《江苏省城市轨道交通工程监测规程》要求，监测数据预警分级标准见表 2 所示。

表 2 监测预警分级标准

3.3 基坑开挖工况分析

本项目支护形式采用地连墙+水平内支撑体系。开挖期间，应严格按照规范要求和现场实时数据反馈合理安排监测频率，确保基坑开挖安全进行，具体施工工况如下所述。

（1）施工工况一：地连墙施工、预埋测斜管及依照监测方案布设各监测点等前期工序。

（2）施工工况二：基坑内布设疏干井，将地下水降至开挖面以下 1 m。当基坑开挖至第一道支撑时，架设第一道钢筋混凝土支撑并进行养护，直至混凝土强度达到设计要求。

（3）施工工况三：当开挖至第二、第三、第四道支撑标高时，及时架设钢支并施加预应力，随挖随撑，严禁超挖。

4 数据分析

通过现场实测数据反馈，可以实时掌握目前基坑实际变形情况，再借助有限元计算结果，可以有效控制基坑开挖，从而保证开挖过程中基坑的安全和稳定。

4.1 实测数据分析

4.1.1 深层土体土体水平位移

从 2018 年 11 月 27 日起，由西端头开始向东分步开挖。为了便于研究基坑开挖对围护结构稳定性的影响，现选取西端头具有代表性的、在开挖过程中出现红色预警的ZQT01 与 ZQT32 深层土体水平位移监测点进行比较分析，其中 ZQT01 为后补土体测斜孔。监测结果如图 1 所示。

图 1 深层土体水平位移变化情况

由图 1 可以看出，基坑开挖至 2018 年 12 月 9 日之前，围护结构变形不大，日变化量基本控制在 1 mm 以内，而在 12 月 12 日，ZQT01 和 ZQT32 日变化量分别达到4.67 mm 和 10.14 mm，均超出监测数据控制值的 1.5 倍（控制值为 ±3 mm），达到红色预警状态，随后日变化量迅速下降至 1 mm 以内。

根据实测数据反馈结合现场施工情况分析可知，12 月9 日左右，基坑开挖至第一道钢支撑作业面时，由于吊车及钢构件施工等荷载的作用，西端头地面以下土体发生扰动，加上现场持续降水，使得端头处墙体向坑内倾斜。由于天气等各种不确定因素，未及时架设钢支撑，围护结构暴露时间高达数日，再加上基坑工程具有很强的复杂性和时空效应，到 12 月 12 日，ZQT01 和 ZQT32 发生突变，日变化量达到红色预警状态，直到 12 月 14 日端头处钢支撑架设完毕，突变情况才趋缓和。从图 1 可以看出，两个测点的变化速率恢复稳定，说明支撑的架设对抵挡围护结构变形、保障基坑安全起到显著作用。

4.1.2 墙顶沉降

依旧选取 ZQC01 和 ZQC32 沉降监测点，汇总墙顶沉降监测数据并作出曲线图（见图 2）。

从图 2 可以看出，墙顶沉降整体控制在 ±5 mm 以内，远小于控制值，具体原因如下：基坑开挖深度不大，由此产生的墙顶沉降还在可控范围之内；冠梁的整体刚度对墙顶沉降起到一定的约束作用。

图 2 墙顶沉降变化情况

4.2 实测数据与有限元数据对比分析

现对深层水平位移 ZQT32 和墙顶沉降 ZQC32 的监测数据与有限元计算结果进行比较（见图 3 和图 4）。

由图 3 和图 4 可知，墙体变形总体呈抛物线形式，最大变形约在开挖面以下 13 m 处。两者之间变化趋势大体相当，但仍存在一定误差，计算值和实测值最大误差约为5 mm，最小误差在 1 mm 以内，差别不大。分析表明，有限元的计算结果能较好地与现场实测得到的数据相吻合，并且累计位移都在预警值范围之内。

图 3 水平位移变形对比图

图 4 墙体沉降变形对比图

5 结 语

通过建立地铁车站基坑的有限元模型，总结分析基坑开挖过程中现场实际监测的数据，将有限元计算结果与实测结果进行对比分析，得出如下结论。

（1）基坑开挖对围护结构变形会产生显著的影响，及时架撑能有效控制基坑变形速率。

（2）靠近基坑周边构件堆载及大型机械施工会对土体产生一定的扰动，因此在施工过程中应尽量减小基坑周边堆载和堆载时间。

（3）有限元模拟结果与实测结果能较好的吻合，两者误差较小。这就能对下一步基坑开挖后的位移场和应力场进行初步的定量分析，以确保工程和基坑周边环境安全。

（4）有限元模型只适用于基坑施工严格按照设计规范要求下的理想情况，由于现场施工存在的不确定因素，模拟结果对基坑下一步施工存在参考价值。