地铁车站深基坑工程施工数值模拟及现场监测

甘保柱，程 桦，荣传新，王 涛，龚永旺

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2. 中国中铁四局集团城市轨道交通工程分公司，安徽 合肥 230000)

随着城市的迅速发展和交通压力的急速增大，许多城市大力发展地铁工程以开发城市地下空间。在地铁建设中最重要的是地铁车站的建设，因为大部分地铁车站都位于建筑物密集的地区，基坑施工过程中容易引起周围土体变形，给周围建筑物和地下管线设施的安全性带来风险[1-2]。因此，基坑开挖即要保证基坑本身的稳定性，又要求控制基坑变形保护周围环境的安全[3]。

许多学者针对不同地区地铁车站深基坑的变形规律做出诸多研究成果[4-9]。文献[10]运用数值模拟方法对深圳地铁某超深基坑工程进行模拟分析，综合分析围护结构的内力、变形及开挖引起的环境效应。文献[11]通过现场实测与数值计算结果的对比分析，研究了软土层厚度和埋深变化对地铁狭长深基坑周围地表沉降的影响规律。文献[12]以北京地铁某深基坑工程为研究对象，探讨了地表沉降、桩体位移、支撑轴力与坑底隆起的时空规律。文献[13]根据现场监测数据，研究不同开挖深度下地铁车站异形狭长基坑地连墙变形规律。由于基坑工程具有很强的区域特性，不同地区基坑的变形大小及规律存在较大差异。目前为止，对于福州地区地铁车站深基坑开挖引起的围护结构变形和周边土体沉降规律研究较少。

本文以福州地铁5号线农林大学站深基坑工程为研究对象，采用Midas/GTS有限元软件对基坑施工过程进行模拟分析，并与现场监测数据进行对比，总结深基坑施工过程中围护结构变形和周边土体沉降规律，以期对福州地区地铁深基坑工程的施工和优化设计提供一定的参考。

1 工程概况

1.1 车站围护结构

农林大学站为福州地铁5号线中间车站，车站基坑总长度为168m，标准段宽度为22.1m，基坑开挖深度为23.4m。基坑围护结构体系采用地下连续墙+内支撑的支护结构形式。沿基坑深度方向设置五道支撑，第一、三道支撑为钢筋混凝土支撑，截面尺寸分别为800mm×1 000mm和1 000mm×

1 000mm，第二、四道支撑均采用φ800mm的钢支撑，第五道为φ609mm的钢支撑，支撑层竖向间距分别为6.5m、6m、3.5m、3m。基坑标准断面支护结构如图1所示。

图1 基坑支护结构剖面图(单位：mm)

1.2 地质条件

该地铁车站场地属于海陆交互相冲淤积平原地貌单元[14]，主要地层自上而下依次为：<1-2>杂填土，<2-1>粉质黏土，<2-4-1>淤泥质土，<3-1-2>(含砂)粉质黏土，<5-2>残积砂质粘性土，<6-1>全风化花岗岩，<7-1-1>强风化花岗岩。

场地内杂填土层中埋藏有上层滞水，地下水位受季节的影响较明显。孔隙裂隙承压水主要赋存于花岗岩的全风化、砂土状强风化带中，局部接受上层地下水补给，以侧向补给为主。勘察期间地下水位埋深为1.20～4.20m，水位标高为7.34～9.96m。

2 有限元模拟计算及分析

2.1 数值计算模型

采用Midas/GTS有限元软件针对基坑施工过程进行动态数值模拟分析。根据Saint-Venant原理，同时为了尽可能减少边界条件对施工模拟造成的影响，模型尺寸定为328m×185m×70m(长×宽×高)，如图2所示。

图2 车站基坑模拟计算模型图

根据详勘地质资料，将土体从上而下划分为7层，超过地勘资料以下土层均认为是强风化花岗岩。为了准确反映基坑的变形情况，土体采用修正摩尔库伦本构模型进行模拟，采用弹性模型模拟钢筋混凝土结构，各土层的物理参数如表1所示。

表1 主要地层物理力学参数

2.2 计算步骤

根据现场实际施工情况，数值模拟的施工步骤如表2所示。

表2 施工工况

2.3 结果分析

1)地连墙水平位移分析

各关键施工工况下基坑长边中点处地连墙水平位移曲线如图3所示。

图3 地连墙水平位移曲线图

从图3可知，随着基坑开挖深度的增加和后续施工步骤的进行，墙体深层水平位移不断增大，发生最大位移点也随之往下移动。开挖至基坑底部后，墙体最大位移为28.2mm，最大位移位置在墙顶以下21m处。超过最大水平位移深度后，水平位移值随着深度增加而减小，地连墙底部受到基底土体约束，位移量较小。

2)基坑周边地表沉降分析

图4为基坑开挖至坑底时基坑周围地表沉降云图。

图4 地表沉降云图

从图4可以看出，距离基坑一定距离处沉降较大，“坑角”部位沉降值较小，主要是因为在此处会受到来自围护结构两个方面的约束，更能抵制其邻近区域的土压力的发展，致使其沉降变形相对较小。开挖至坑底后地表沉降量达到最大值，最大沉降值为12.3mm。发生最大沉降位置位于距离基坑边缘13.4m处。

3 基坑施工监测方案

3.1 监测点布置

现场监测内容主要包括基坑周围地表沉降，地连墙深层水平位移，坑外水位，支撑轴力等[15]。地连墙墙体水平位移监测点沿基坑四周间隔20m左右布置，共布置22个测斜孔，编号为QCX01～QCX22。在垂直于基坑地连墙外共布设22个土体沉降监测断面，编号为DBC01～DBC22。每个监测断面随距离基坑边缘距离增大依次设置5个沉降监测点，沉降监测点距基坑边缘距离依次为2m、5m、10m、18m、30m。基坑沿深度方向共5道支撑，每层支撑布设12个支撑轴力监测点，5层支撑处于同一位置的5个监测点组成一个监测断面，共有12个监测断面，编号为TZL-01～TZL-12，现场监测点半平面布置图如图5所示。

注：TZL—支撑轴力监测点；QCX—支护墙体水平位移监测点；DBC—地表沉降监测点图5 农林大学站监测点半平面布置图

3.2 地连墙水平位移监测数据分析

选择监测点QCX17分析基坑开挖过程中地连墙变形情况，各施工工况下地连墙水平位移变化曲线如图6所示。

图6 地连墙水平位移曲线图

由图6可以看出，在施工第一道支撑时，由于开挖深度较小且冠梁刚度较大，围护结构整体位移较小，地连墙的最大水平位移出现在墙顶位置，整体位移趋势呈悬臂式位移曲线。随着后续施工的不断深入，地连墙最大水平位移为29.6mm，最大位移点处于墙顶以下20m处。基坑各监测断面的地连墙水平位移最大值基本都在监测控制值之内。

3.3 基坑周围地表沉降分析

选取标准段中部地表沉降监测断面DBC17监测数据进行分析。从图7可以看出，随着开挖深度的增加，地表沉降值在不断增加且各工况下的沉降变化曲线大致相似，基坑周边地表沉降变形总体呈“凹槽形”变化。开挖至基坑底部时，最大沉降量为14.7mm，最大沉降发生在距离基坑边缘10m处，小于监测警戒值。

图7 DBC17监测断面沉降变化曲线图

3.4 支撑轴力变化分析

图8为标准段中部轴力监测断面TZL-06各层支撑轴力实测值。

图8 监测点TZL-06内支撑轴力变化曲线图

由图8可知，第一道钢筋混凝土支撑架设后，支撑轴力迅速增大。第二道钢支撑布设并施加预应力之后，随着第二道支撑轴力的增大，第一道支撑轴力有所减小，说明两道支撑共同承担基坑外侧主动土压力。随着后续施工进行，钢筋混凝土支撑轴力持续增大，钢支撑架设后轴力先迅速增加，后逐渐趋于稳定值。基坑开挖到底时，第一道支撑轴力值为3 317kN，第二道支撑轴力值为892kN。监测断面中第三道钢筋混凝土支撑的支撑刚度最大，其轴力在开挖到坑底时达到了所有支撑轴力的最大值，轴力发展速度较快，最大轴力值达到7 335kN，小于轴力设计值9 086kN，说明基坑总体仍处于相对安全的状态。第四、五道钢支撑轴力增长较为平缓，基坑开挖到底时的轴力值分别为886kN和658kN。同一监测断面的各道支撑中，钢筋混凝土支撑承受了较大的轴力，钢支撑承受轴力较小，其中第三道混凝土支撑轴力最大。

4 计算结果与监测数据对比分析

4.1 地连墙水平位移

图9为监测点QCX17开挖至坑底时的监测值与模拟计算值对比曲线图。由图9可知，模拟计算得到的墙体变形规律与现场实测数据变形规律基本一致，呈“中间大，两端小”弓形变化曲线。开挖至坑底时，QCX17监测点地连墙最大水平位移模拟值与监测值差值为1.4mm，数值模拟计算值略小于监测数据，数值差异较小。QCX17处监测数据最大位移发生在墙顶以下20m处，模拟计算得到最大位移发生在墙顶以下21m处，主要是因为在建模过程中土体划分采用概化分层，而在实际场地土层分布不均匀，使得最大变形位置不同。

图9 地连墙水平位移对比曲线

4.2 基坑周围地表沉降

选取基坑开挖完成后DBC17监测断面监测值和模拟计算结果进行对比，结果如图10所示。

图10 坑外地表沉降模拟值与监测值对比

由图10可知，基坑开挖至坑底时，基坑外侧地表沉降模拟值与监测值变化曲线均呈现为凹槽形，地表沉降实测最大值为14.7mm，沉降最大值位于距离基坑边缘10m处。模拟计算最大值为12.3mm，最大沉降量位于距离基坑边缘13.4m左右。模拟计算地表沉降最大值小于现场实测结果，是由于模拟过程中没有考虑现场施工荷载、基坑降水等因素对周围地表沉降变形的影响，从而导致模拟值与监测值有一定偏差，但基坑坑外地表沉降的变化规律基本一致，说明本文所采取的模型仍然是合理的。

4.3 支撑轴力

轴力监测断面TZL-06处第三道钢筋混凝土支撑各工况下轴力模拟值与监测值对比如图11所示。

图11 支撑轴力监测值与模拟值对比

由图11可知，随着施工步骤的进行，模拟计算值与监测值均不断增大，支撑轴力变化趋势基本一致。第三道钢筋混凝土支撑轴力模拟值大于监测值，主要因为在模拟过程中无法考虑混凝土支撑配筋及温度效应对支撑轴力的影响，造成数值模拟值与监测值产生一定差异。数值模拟结果显示，混凝土支撑轴力大于钢支撑轴力，其中第三道支撑轴力最大，和监测数据呈现的规律相一致。

5 结论

(1)从数值模拟结果与现场监测数据的对比分析可以得出，地连墙墙体最大水平位移值，地表沉降值，支撑结构轴力值都与现场实际监测值大致相同，整体变化规律基本一致。说明了建立的有限元计算模型是合理的，可以为类似工程的设计及施工提供指导。

(2)基坑开挖初期，地连墙顶部位移较大，整体位移趋势呈悬臂式。随着基坑开挖深度的增加，地连墙水平位移不断增加，发生最大位移位置也不断下移，地连墙墙体整体变形呈“弓”字形变形特征。

(3)基坑开挖过程中，周边地表沉降变化曲线呈“凹槽形”，最大沉降量为14.7mm，符合基坑设计中关于地面最大沉降量的控制要求。

(4)基坑支撑结构支撑轴力随基坑开挖深度的增大而不断增大，同一监测断面的钢筋混凝土支撑实测轴力大于钢支撑轴力，各道支撑实测轴力均小于设计值，说明基坑总体仍处于相对安全的状态。从模拟结果和实际监测数据来看，支撑轴力的模拟计算值大于现场监测值，但其发展变化规律基本一致。