深基坑开挖影响的有限元模拟与监测

赵 平

（铜陵学院 建筑工程学院，安徽 铜陵 244000）

地铁车站深基坑开挖工程作为地铁车站建设过程中的重要组成部分，其施工质量对地铁的顺利开通运营有着至关重要的作用。地铁车站基坑特别是深基坑开挖会导致基坑变形，进而会对基坑周围产生各种不利影响。如何控制基坑变形并防止基坑发生水平位移和周边土体沉降以及基坑底部隆起，是我国地铁基坑建设过程中面临的主要问题之一[1-2]。随着轨道交通的快速发展，合肥市地铁车站基坑数量也随之增多，大量基坑位于市区且周边环境复杂，其变形控制和环境保护往往成为基坑工程成败的关键。深入研究合肥市深基坑开挖影响对于基坑工程防灾减灾和促进新技术应用具有重要意义。

目前关于基坑开挖影响的研究方法主要有实测数据分析法[3-4]、数值模拟法[5-7]、理论分析法[8-11]、模型实验法[12-13]以及数值模拟与现场监测结合法[14-15]等，但研究对象主要针对合肥以外地区，以合肥市地铁车站深基坑为背景的研究相对较少。本文以合肥市某地铁车站深基坑开挖项目为研究背景，利用MIDAS/GTS软件建立3D模型，分析地铁车站深基坑开挖过程对附近的影响程度，并将数值模拟结果与施工现场监测数据进行对比分析，验证数值模拟技术在合肥市地铁车站深基坑工程中的应用可行性。

1 工程概况

地铁车站主要位于城市繁华区域，修建地铁车站开挖的基坑深度可达数十米，且深基坑周边各种建筑及管线往往较复杂，深基坑开挖常会导致许多问题的发生，如地铁基坑围护结构的变形和对周边地面交通及地下管线的影响等。本文选取深基坑开挖过程中的变形特征进行分析，研究对象为合肥市某地铁车站深基坑，具体位置如图1所示。基坑长度为120.0 m，标准段的宽度为20.0 m，扩大端宽度为24.0 m，基坑开挖深度为24.0 m。围护体系为钻孔灌注桩，桩直径1.2 m，桩之间的距离为1.8 m，采用内支撑体系进行支护。基坑中从上到下设置5道支撑，第1道采用钢筋混凝土支撑，其他内支撑均为钢支撑。内支撑的相关参数：第一道，钢筋混凝土支撑800 mm×1 000 mm，中间设500 mm×500 mm格构柱及600 mm×600 mm连系梁，支撑间距3 m；第二至第五道，钢管支撑600 mm×16 mm，支撑间距3 m。根据本项目岩土工程详细勘察报告及相关资料规范，土层简化为5层，自上而下分别为人工杂填土、粉质黏土、黏土、泥质砂岩、强风化砂岩。模型的具体力学参数如表1所示。

图1 地铁车站基坑位置

表1 计算模型力学参数

2 数值模型与现场监测

2.1 基本假定和边界条件

基本假定：①土体本构模型为Mohr Coulomb，其他材料均为线弹性材料；②土体连续均匀分布；③地下水的影响忽略不计。

边界条件：地表不设置约束且为自由面，4个侧面边界均受到平面法向位移约束，模型底部设置X、Y、Z三个方向约束。基坑四周其它荷载简化成基坑边缘大小为21 kN/m2的均布荷载。

2.2 模型结构设计参数

模型支护结构的具体参数如表2所示。地连墙选择3D实体，冠梁选择植入式梁，混凝土支撑及钢支撑选择植入式桁架。根据工程经验和理论分析[16]，本文建立的模型尺寸为：300 m×150 m×70 m，选取最不利围护区段进行计算，三维模型网格划分情况如图2所示，模型共计23 159个单元，节点16 626个。

图2 三维模型网格划分图

表2 支护结构参数

2.3 模拟工况

基坑开挖过程的施工工况共计11个，具体内容见表3。

表3 基坑开挖工况具体内容

2.4 现场监测方案设计

依据相关规范和要求，结合本文采用的研究方法和施工现场的具体情况，制定了研究的监测方案，具体内容见表4。

表4 监测方案设计

3 数值模拟与现场监测结果对比分析

3.1 围护结构的水平位移对比分析

地铁车站深基坑开挖会对围护结构的水平位移产生一定影响。图3为基坑开挖对围护结构水平位移影响的数值模拟与现场监测对比情况。通过对比分析可知，同一围护结构的不同位置水平位移受基坑开挖的影响不同。此外，围护结构在同一深度的水平位移也在不断变化，且呈现一定的规律性。总体上来看，无论数值模拟还是现场监测结果都表现为随着基坑的开挖，基坑不同深度的围护结构水平位移变化呈现“先增大，后减小”的规律，这与文献[17]的情况基本一致，随着开挖深度的增加，主动土压力也随之增大，且基坑下部土体受湿陷性影响，强度迅速减小，位移急剧增大；又由于桩入土部分对底部位移有约束作用，导致水平位移曲线从上至下呈中间大两头小的“弓”型。具体来看，在初始开挖（即工况4）时，基坑开挖对围护结构的水平位移影响较小，围护结构的水平位移随着基坑深度的增加而逐渐减小，基坑顶部围护结构位移最大模拟值和监测值均接近5.0 mm，基坑底部围护结构位移几乎为0。这是因为工况4为基坑开挖初期，土体开挖量较小，形成的基坑内外土压力差值不大，基坑四周的土体变形较小，此时仅对围护结构上部的水平位移产生影响，位移变化幅度小。在基坑开挖后期（即工况11），基坑顶部围护结构水平位移模拟值约为7.5 mm，现场监测值约为7.9 mm。随着基坑深度的加大，围护结构水平位移呈递增趋势，在基坑中部位置即深度约为12.0 m处，围护结构水平位移达到最大，模拟值和监测值分别约为10.8 mm和10.0 mm。此时基坑中部因土体变形过大易产生破坏，施工时应加强基坑中部围护结构水平方向的监控与保护。此后，随着基坑深度的增加，围护结构的水平位移呈递减趋势，基坑底部围护结构的水平位移最小模拟值和监测值均接近6.0 mm，最大位移量基本可控。对比来看，围护结构的最大水平位移模拟值大于实测值，两者之差相对较小。这是由于基坑开挖是一个涉及工序、地质、水文等多重因素影响的复杂工程。现场实测的变形趋势与数值模拟结果较为接近，说明数值模拟技术在地铁车站深基坑工程应用中具有可行性。

图3 围护结构水平位移变形规律对比

3.2 地表沉降对比分析

与基坑距离的不同，地表沉降受基坑开挖的影响不同，不同的施工工况对同一位置地表的沉降影响亦不同。地表沉降随基坑开挖变化规律的模拟值与监测值对比结果如图4所示。可以看出，基坑开挖会对周围地表沉降产生影响。总体来看，无论数值模拟还是现场监测结果都显示：随着基坑开挖深度的增加，地表沉降曲线呈现出随着距离基坑Y方向边缘增加，地表沉降先增大后减小，然后逐渐趋于稳定的变化规律。沉降变化曲线呈“抛物线”状，数值模拟最大值约为11.9 mm，现场监测最大值约为12.1 mm，均出现在距离基坑Y方向边缘约为10.0 m（即x=10 m）的位置。这是由于基坑开挖使得初始的土体应力平衡状态遭到了破坏，开挖后的基坑土体应力为了达到新的平衡，周围土体会向着基坑内侧变形，从而使地表产生沉降，且地表沉降值随着基坑开挖深度的增加而增大。显然，基坑的围护结构比土体材料的刚度大，对周围土体的变形起到制约作用，进而影响地表沉降。具体来看，在基坑初始开挖（即工况4）时：地表沉降量较小，且随着基坑边缘距离的变化，沉降值变化较小，数值模拟最大值出现在x=15.0 m的位置，最大值约为4.3 mm；现场监测也在x=15.0 m的位置附近出现最大值，约为5.2 mm。对于工况11而言，当x=0.0 m时，地表沉降的数值模拟值约为5.5 mm，现场监测值约为4.2 mm；此后，随着x的不断增大，地表沉降量也在逐渐增加，当大约在x=10.0 m位置时，数值模拟和现场监测均达到最大值，分别约为11.9 mm和12.1 mm；然后再随着x的不断增大，地表沉降量在逐渐减小，当x超过55.0 m时，地表沉降量较小且趋于稳定，当x=60.0 m时，地表沉降量约为3.9 mm。从现场监测结果来看，现场实测的变形趋势与数值模拟结果较为接近，且基坑周边土体的沉降值均在设计规范允许范围内，说明本文所采取的基坑支护措施是基本合理的。

图4 地表沉降变形规律对比

3.3 基坑底部隆起对比分析

等基坑中部距离的不同，基坑底部隆起情况受基坑开挖的影响不同。不同的施工工况对同一位置的坑底隆起影响亦不同。基坑的开挖对基坑底部影响规律见图5。通过对比分析发现，基坑开挖会产生基坑坑底土体隆起现象。从总体上来看，无论数值模拟还是现场监测结果都显示：基坑底部隆起变化呈现出“中间大，两端小”的规律，最大模拟值约为19.3 mm，最大监测值约为19.0 mm，均出现在距基坑中部约2.0 m的位置。而且基坑底部隆起值随着与基坑中间位置距离的改变而改变，表现为隆起值先增大后减小，再趋于稳定的现象。从工况4到工况11，同一位置的基坑底部隆起值逐渐增大，工况4的基坑底部隆起值相对较小，最大模拟值约为9.0 mm，最大监测值约为8.3 mm。工况11的基坑底部隆起值较大，最大模拟值约为19.3 mm，最大监测值约为19.0 mm，最大值都出现在距基坑中部约2.0 m的位置。这是因为基坑内的土体随着基坑的开挖而逐渐减少，开挖掉的土体会释放自重应力，原来的土体应力平衡遭到破坏，为了达到新的土体应力平衡，基坑底的土体会产生向上的变形即“隆起现象”。此外，基坑围护及支撑结构对坑底土体隆起有一定的约束作用。从监测结果来看，现场实测的变形趋势与数值模拟结果较为接近，且基坑底部隆起值均在设计规范可控范围内，说明本文所采取的基坑支护措施是基本合理的。

图5 基坑开挖过程中坑底隆起规律对比

4 结论

本文以合肥市某地铁车站深基坑项目为研究背景，利用MIDAS/GTS软件建立3D模型，并将数值模拟结果与施工现场监测数据进行对比，得到以下3点结论。

（1）在基坑开挖过程中，围护结构的水平位移呈“先增大，后减小”的趋势，最大模拟值约为10.8 mm，最大监测值约为10.0 mm，且出现在基坑深度约为12.0 m的位置；地表沉降变化曲线呈“抛物线”形式，最大模拟值约为11.9 mm，最大监测值约为12.1 mm，出现在离基坑Y方向边缘距离约为10.0 m的位置；基坑底部隆起呈“中间大，两端小”的规律，最大模拟值约为19.3 mm，最大监测值约为19.0 mm，出现在离基坑中部约2.0 m的位置。

（2）对比分析发现，该地铁车站深基坑开挖现场实测的变形趋势与数值模拟结果基本一致，说明本文所采取的基坑支护措施是基本合理的。

（3）工程实践证明，数值模拟技术在合肥市地铁车站深基坑工程中的应用是可行的，可为类似工程提供参考与借鉴。