明挖长大深基坑围岩稳定性预测分析

刘 博

(天津铁道职业技术学院，天津 300240)

一、研究背景及意义

随着我国经济的高速发展，城镇化水平逐步跃升，截止到2021年，我国人口城镇化率已高达64.72%，这表明我国已经正式步入城市社会时代，然而，资源短缺、交通不便、发展挤压城市空间等问题已经成为制约城市发展的主要因素，为了解决这一问题，地下空间建设如火如荼，地铁建设迎来了大发展期。同时，地铁基坑工程越挖越深、车站规模也越修越大，车站基坑朝着长大深的方向发展，长大深基坑不仅开挖难度会大大增加，而且由于长大深基础需要更多的空间，也带来了基坑与邻近建筑物之间的矛盾。

地铁站一般建设在区域经济中心，附近有复杂的地上建筑物，基坑施工过程中，会对周围原状土体进行扰动，影响初始应力状态，进一步导致周围土体的形变，使其发生不均匀沉降和变形，危及周围建筑物、构筑物和市政等工程的安全和适用性，因此针对基坑工程临近结构物的风险评估及变形控制具有现实意义。基坑工程施工过程非常复杂，必须提前考虑到周围道路、管线、建筑物、构筑物、地下水和工程地质条件等诸多因素对施工的影响，同时还要考虑多种学科的交叉应用，比如工程地质、岩土工程、结构工程、土力学等，其对技术综合性应用要求极高，也极易发生各类事故。近年来，地铁基坑开挖造成的安全事故频发，严重影响工作人员的人身安全。2021年8月2日，陕西省西安市轨道交通某基坑开挖过程中发生塌方，造成2人死亡；2021年9月10日，四川省成都市轨道交通某基坑施工时发生网架垮塌事故，造成4死14伤。因此，基坑开挖过程中要严格控制周围土体的形变，保证周围环境的稳定及安全。

基坑的位移和沉降变形对周围建筑物、其他构筑物、市政设施的影响大小跟其地质状况息息相关。地质状况好的区域影响也小，地质差状况差的区域影响也较大，而相较于普通基坑，长大深基坑要求更高，不管是在设计还是施工方面，难度都非常大，同时施工风险也非常高，因此在施工过程中，要着重考虑其变形情况。尤其对地质情况复杂的环境，基坑开挖通常伴随着极强的环境效应，深大基坑施工过程中任何一个环节的失稳都会对结构本身和周围环境造成严重的影响，因此在软土地区的长大深基坑设计对变形控制要求更为严格。

近年来，有限元技术发展突飞猛进，与此同时，在工程技术领域的研究方法中，有限元数值模拟显得尤为重要。数值模拟可以将工程中土体条件、周围建筑物、施工规模等通过参数设置进行体现，并模拟分析施工过程中的安全稳定性，从而找到最优施工方案。常用的数值模拟方法有有限元分析法、非线性弹性有限元法等，常用的数值模拟软件有GTS、FLAC3D、ANSYS等。

长大深基坑工程施工过程中受到众多参数的影响，然而这些参数却很难被量化，因此模型复杂程度极高。同时，基坑开挖对周围结构物的影响也受到多种因素的制约，如地质情况的差异性、支护结构形式的不同，针对上述内容，国内外专家学者做了大量研究，取得了大量的研究成果。一方面学者李卫明等通过数值模拟研究了长大深基坑施工过程中围护桩应力分布状态；学者雷明锋借助于数值模拟建立基坑坑壁，土体三维破坏模型，并基于土的塑性上限理论及相关联流动法则，对黏性土围岩条件下长、大、深基坑的计算过程进行了推导。另一方面长大深基坑的开挖位置往往会遇到复杂的地质条件，那么会大大增加其施工难度，其周围土体的受力及变形规律也会更加复杂，关于这种情况现场实测分析报告的文章，目前还比较少。

本论文在查阅了大量国内外文献资料的基础上，借鉴了众多专家学者的观点以及结论，并以河南某市城市轨道交通2号线九都西路站的基坑开挖为例，进行建模并分析基坑围岩稳定性。

二、工程概况

河南某市地铁九都西路站位于解放路与九都西路交叉路口西南象限，牡丹大桥西侧。车站所处区域为东下池村，以居住用地和教育科研用地为主，附近有市和平医院、中国空空导弹研究院及若干2～5层民房。

地铁车站进出口设于九都路与解放路交叉路口北侧，受九都路下穿隧道和中州渠影响，九都西路站采用地下二层、局部三层岛式车站，车站端厅、轨面标高约-18m。车站建设与中州渠、九都隧道关系及征地拆迁情况如下：

车站与中州渠关系：站台层结构顶板距离河底覆土2m；

车站与九都路隧道关系：区间下穿，最小结构净距3m；

征地拆迁：车站附属占用空空导弹研究院用地，解放路跨中州渠桥梁拆除重建，交通倒改需拆迁其部分临街建筑。

该地段典型地质为杂填土、黄土质粉质粘土、卵石和黏土岩。结构底板落在黄土质粉质粘土中。建设条件相对良好，适合明挖法施工、两层岛式结构，围护结构采用桩+内支撑结构形式。

三、计算模型及参数

基坑土体的本构模型采用摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型，采用实体单元进行模拟。通过商业软件FLAC3D操作界面，同时为了更精确地模拟基坑开完过程中的受力情况，本文在建立车站计算模型的过程中，考虑到空间效应，本文将模型边界尺寸设定为建筑四周加50m，即模型尺寸确定为126m×280m×60m，计算范围已超过基坑开挖深度的3倍。地面标高统一设定为0，基坑开挖深度最深约15m。总体而言，模型尺寸的选择符合计算精度的需求。

本模型共352450个单元，312560个节点，本模型上部采用自由边界条件，模型其他边界采用粘性边界法，在模型的法向上设置弹簧元件、切向上设置阻尼元件。精度为：ratio1×10-5。计算时在基坑周边设置了若干监测点。

模型均采用4节点四面体模拟。地质条件参考实际工程条件，模型计算中将土体的分层考虑在内，计算方法选用总应力法，对应的总应力指标作为土体计算参数。采用基于弹塑性理论分析的摩尔库伦模型作为土体本构模型，支护结构采用结构单元模拟。FLAC3D中摩尔库伦模型的模型参数共计6个，其中个别参数由程序自动设定，不需要人为设置。岩土体物理力学参数根据项目地勘报告，参考已发表的重庆地区地铁及基坑数值模拟方面文献，综合考量加以确定。材料及结构单元的性能参数详见下表1。

表1 材料、结构单元性能参数

四、数值计算结果分析

(一)基坑围岩塑性区分析

图1给出了基坑开挖完成时的围岩塑性破坏区分布图。从图中可以看出，基坑开挖完成后，塑性区主要分布在开挖基坑的坑边部位以及既有建筑物临近位置，基坑开挖过程中并未出现塑形贯通区，因此为了保证施工安全，施工过程中应着重加强坑边附近和建筑物一侧土体变形监测工作，如果监测结果发展较快，应立即启动应急预案采取坑内注浆等加固土体措施，从而提高土体的抗拉伸能力和对围岩支护的抵抗能力，同时增大检测频率和检测范围。

图1 基坑开挖完成后整体塑性区分布图

(二)基坑水平位移分析

通过数值模型发现基坑开挖过程中，支护结构的形变主要体现在水平方向上。图2(a)为景华路站基坑整体水平位移云图，从中可以看出：由于基坑开挖前土体呈现三轴应力的初始应力状态，基坑开挖后其卸载效应会同时影响竖直和水平方向上的应力分布，即土体的水平向和竖向应力降低，进一步破坏了基坑开挖前的应力平衡，因此水平卸载后，必然会引起土体水平方向上的变形，即基坑周围产生了水平位移。

随着基坑开挖，基坑侧壁土体水平变形逐渐增大，最终水平变形最大值为27.1mm，呈现较好的对称性分布，表明桩和内支撑发挥了很好作用。并且最大位移均出现在基坑中下部位置区域，其控制标准可以按照支护结构最大水平位移允许值，对比发现二者均没有超过最大值43mm的控制标准(基坑开挖深度17.3m，按照一级基坑计算，允许值43mm)。表明所设计的支撑起到了明显的支护作用，并且具有足够的安全裕度，满足规范要求。

(a)景华路站基坑整体水平位移云图

(b)景华路站基坑整体竖向位移云图

(三)基坑竖向沉降分析

基坑开挖过程中，基坑底部土体应力路径会发生变化，并且由于土压力不平衡，会导致基坑底部土体受到水平挤压，产生向上隆起的现象。同时，基坑周围地表呈现不同程度的沉降：基坑开挖深度较浅时，沉降呈三角形分布状态；基坑开挖深度较大时，沉降分布呈抛物线状态。

图2(b)为景华路站基坑土体竖向位移分布云图，从中可以看出：随着基坑开挖，围岩竖向变形逐渐增大，同时基地内部显现出的卸荷回弹效应也愈加严重，基坑四周也出现了小范围沉降，沉降的最大值为11.7mm。基坑底部的最大回弹隆起值达到了20.9mm，因此基坑开挖时，应及时进行封底，及时施工基础底板，以达到增加反压、控制隆起的作用，或者在基坑开挖接近坑底标高时也适当留设保护土层，尽量减少坑底在空气中的暴露时间。

(四)基坑围护结构内力分析

随着基坑开挖过程的进行，围护桩逐渐发挥维稳作用，其内力和变形也逐渐发生变化，经数值计算后得到钻孔灌注桩受力情况如图3。由图可知，在基坑开挖结束后，支护结构最大剪应力为0.16kPa，且临近建筑物部位剪应力较大；最大法向受力为1MPa。以上内力值应严格与围护桩设计内力相校核，若不满足要求，应及时采取相应措施。

(a)钻孔灌注桩最大剪应力图

(b)钻孔灌注桩法向受力图

(五)基坑开挖引起既有建筑变形分析

长大深基坑开挖对邻近结构物的变形控制要对设计及施工的全过程进行研究。在施工前期，应对邻近结构物的变形控制进行详细的风险评估；在施工过程中，应尽可能地采取有效措施，将对邻近结构物的影响降到最低，或者对邻近结构物采取直接加固的方法等。图4(a)为既有建筑物竖向变形云图和图4(b)为桩水平位移云图。

(a)既有建筑沉降示意图

(b)桩水平位移

由图4看出，既有建筑物竖向变形量最大值20.1mm，桩的水平位移最大值17.8mm，位移较小，满足《河南省基坑工程技术规范》和《河南省建筑地基基础勘察设计规范》中的限值。由于在基坑开挖的过程中，会遇到各种不确定状况，因此应在初步设计、施工图设计以及施工全过程中，进行再校核的工作，同时施工过程中应进行必要的监控测量，及时反馈，动态设计。

五、小结

通过对九都西路站基坑数值模拟分析，本文得出了以下重要结论：

(一)基坑开挖周边土体及建筑物应力应变分析

九都西路站基坑开挖完成后，基坑两长边临空面水平位移呈现对称性分布，最大变形量27.1mm左右，最大位移分布在基坑中下部，变形量小于规范最大控制43mm的要求。说明所设计的支撑起到了明显的支护作用，具有足够的安全裕度，满足规范要求。

九都西路站基坑底部由于坑内卸载发生明显的回弹隆起，最大回弹值达到了37mm，因此基坑开挖时，应特别注意尽量减少坑底在空气中的暴露时间，尽早封闭。

基坑周围的既有建筑物竖向变形可以忽律不计，桩水平位移也很小，均满足规范设计要求。

基坑周边地表变形、坑外土体变形、坑底土体隆起均满足相关规范控制要求。

(二)基坑围护结构应力分析

在基坑开挖结束后，钻孔灌注桩所受剪应力较小，最大剪应力为0.16kPa；最大法向受力为1MPa，远小于混凝土的强度，具有较大的安全裕度。基坑内支撑受力较大，最大受力4523kN左右，施工中应确保其施工质量和安装精度。对于内支撑施作，只有在土体开挖后才能进行，因此基坑开挖的施工步骤应严格按照规定进行，按顺序开挖、及时进行支护，同时做好监测工作，对于监测数据要时时把握、及时分析，务必达到周围环境控制的要求。

通过数值模型的验证了本长大深基坑开挖施工方案的可行性，同时应加施工强监测管理，尤其是重点变形部位的监测，一旦发现变形结果发展较快应尽快采取措施控制变形，同时施工过程中应强化动态设计的理念，根据施工情况调整设计方案。