某明挖車站基坑開挖過程監(jiān)測與數(shù)值模擬

夏 琴，石 峰，張紅彬，盧坤林

(1.蕪湖市軌道(隧道)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽蕪湖241000；2.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽合肥230009)

隨著城市軌道交通工程的大規(guī)模建設，車站基坑工程越來越多，對基坑的變形研究也成為熱點問題[1-3]。對于基坑工程而言，基坑圍護結構和基坑周邊土體沉降的監(jiān)測對車站基坑的開挖有著重要的工程指導意義，也是判斷基坑安全的重要信息[4-5]。研究表明，采用數(shù)值模擬和實際相結合的方法可對基坑整體開挖過程進行比較系統(tǒng)的分析[6]。隨著理論與實踐的緊密結合，樁支護形式的基坑研究方法得到了飛速發(fā)展，由原始的極限平衡法到彈性地基梁法[7]，再到目前的有限元分析數(shù)值模擬方法。而且進一步的研究表明，樁支護形式的基坑研究方法在實際工程中有明顯的實用性[8-10]。鑒于此，文中結合蕪湖火車站基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用FLAC3D軟件對車站基坑開挖過程進行數(shù)值模擬，分析圍護結構鉆孔灌注樁側向變形、基坑周邊地表沉降、支撐軸力的變化情況，以期對類似基坑施工方案的優(yōu)化具有指導作用。

1 工程概況

蕪湖火車站位于蕪湖軌道交通2 號線，其車站平面布置圖如圖1。蕪湖火車站基坑外部結構總長為166 m，基坑開挖寬度為22.28 m，開挖深度為15.3～15.9 m。蕪湖火車站基坑施工采取明挖法，基坑的四周采用鉆孔灌注樁圍護，并且架設三道支撐，其鉆孔灌注樁直徑為1 m，樁心間距為1.2 m，支撐體系為一道混凝土支撐和兩道鋼支撐。

圖1 蕪湖火車站平面布置圖Fig.1 Layout plan of Wuhu Railway Station

1.1 地質(zhì)條件

依據(jù)蕪湖當?shù)氐牡刭|(zhì)勘察報告，車站土體參數(shù)和層厚如表1。其中天然含水量為質(zhì)量分數(shù)。

表1 土體參數(shù)Tab.1 Soil parameters

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場勘查，場地地下水類型包括填土、粉質(zhì)黏土中的上層滯水、第四系孔隙水及基巖裂隙水。根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭露情況，上層滯水分布不均，基巖裂隙水主要賦存于基巖風化裂隙及構造裂隙中，第四砂層和卵石層含孔隙水較多，地下水位埋深0.3～5.1 m，基巖風化裂隙及構造裂隙含有基巖裂隙水。

2 基坑變形的監(jiān)測分析

2.1 監(jiān)測項目及測點布置

基坑監(jiān)測的主要項目有圍護結構鉆孔灌注樁側向變形、基坑周邊地表沉降、不同平面位置處的支撐軸力，基坑測點布置平面圖如圖2，剖面圖如圖3。文中選取代表性監(jiān)測點對鉆孔灌注樁側向變形、地表沉降、支撐軸力的監(jiān)測結果進行分析。

圖2 基坑測點布置平面圖Fig.2 Layout plan of measuring points of foundation pit

圖3 基坑監(jiān)測點布置剖面圖Fig.3 Layout section of monitoring points of foundation pit

2.2 監(jiān)測結果分析

2.2.1 鉆孔灌注樁側向變形

選取J11監(jiān)測點對樁體側向變形進行分析。根據(jù)不同開挖深度的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別繪制J11側向變形變化曲線，如圖4。由圖4 可知：隨著基坑開挖深度的增加，樁頂往基坑內(nèi)位移，開挖到一定深度后，樁頂位移趨于穩(wěn)定；鉆孔灌注樁側向變形最大點隨著基坑開挖沿樁體下移，且鉆孔灌注樁側向變形增大，樁底側向變形保持0處；隨著基坑開挖到一定程度，樁體側向變形增量減小，說明樁體側向變形趨于穩(wěn)定。

2.2.2 地表沉降

圖4 J11側向變形變化曲線Fig.4 Variation curves of lateral deformation of J11

選取L25，L26，L27，L28共4個地表沉降測點分析地表沉降和基坑開挖的關系。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分別繪制4個監(jiān)測點隨基坑開挖深度增加地表沉降的變化曲線，如圖5。監(jiān)測點L25～L28 是在基坑縱向軸線平行線上的4 個監(jiān)測點，且與基坑的距離依次由近至遠。從圖5 可以看出：隨著基坑開挖深度的增加，各監(jiān)測點的沉降也在增大；監(jiān)測點L26沉降最大，且沉降增量最大，其次是監(jiān)測點L27與L25，最后是監(jiān)測點L28。由此說明地表沉降最大點不是距基坑最近的位置。

2.2.3 支撐軸力

在同一垂直面選取ZL5-1，ZL5-2和ZL5-3監(jiān)測點分析支撐軸力隨開挖深度的變化情況。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，其軸力變化曲線如圖6。從圖6可以看出：隨著基坑的開挖，支撐軸力也在增加；當基坑開挖完成時，鋼筋混凝土支撐受到的支撐軸力最大，第三道鋼支撐次之，第二道支撐最小，且三道支撐實測值相對于設計值均在安全范圍內(nèi)。

圖5 地表沉降變化曲線Fig.5 Change curves of ground settlement

3 基坑變形的數(shù)值模擬分析

3.1 基坑模型的建立

文中采用有限差分軟件FLAC3D計算基坑開挖過程中鉆孔灌注樁側向變形、地表沉降及支撐軸力。土體本構模型采用莫爾-庫侖(Mohr-Coulomb)塑性模型，其中土體介質(zhì)均假設為非線性、彈塑性介質(zhì)材料[11-12]。

基坑圍護結構鉆孔灌注樁長21.5 m，灌注樁上部澆筑冠梁寬為1 m、高為1.5 m，均使用規(guī)格為C35的混凝土澆筑?；咏r，冠梁和鉆孔灌注樁都采用實體單元，選取各向同性彈性模型，對于支撐模擬采用beam結構單元[13]。鉆孔灌注樁和冠梁模型的具體參數(shù)如表2，混凝土支撐和鋼支撐具體參數(shù)如表3。

圖6 最大支撐軸力變化曲線Fig.6 Change curves of maximum supporting axial force

表2 鉆孔灌注樁、冠梁的模型參數(shù)Tab.2 Model parameters of bored pile and top beam

表3 支撐參數(shù)Tab.3 Supporting parameters

基坑模型平面為長方形，長為166 m、寬為22 m。模型是對稱結構，因此取模型的1/2進行計算，基坑的最大模擬開挖深度為15.5 m，模型尺寸為184 m×132 m×45.5 m，如圖7。土體模擬使用8節(jié)點六面體，圍護結構如圖8。三維模型水平約束條件：模型四周約束X方向和Y方向的位移，模型底部約束Z方向的位移，地表為自由邊界。

圖7 數(shù)值模型網(wǎng)格示意圖Fig.7 Grid diagram of numerical model

圖8 基坑圍護結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of retaining structure of foundation pit

3.2 基坑開挖工況的設置

數(shù)值模擬基坑開挖工況：工況1，基坑開挖至3.5 m 處，架設完第一道混凝土支撐；工況2，基坑開挖至8.5 m處，在距離地表5.7 m左右處架設第二道鋼支撐；工況3，基坑開挖至坑底15.5 m處，在距離地表11.2 m左右處架設第三道鋼支撐。具體布置如圖9。

圖9 FLAC3D工況分析簡圖Fig.9 Analysis diagram of working condition of FLAC3D

3.3 模擬結果與分析

3.3.1 鉆孔灌注樁側向變形

對3 種工況進行模擬，在基坑的開挖支護過程中，選取臨近基坑短邊、基坑1/4、基坑1/2 處鉆孔灌注樁監(jiān)測，樁體監(jiān)測點布置如圖10。

鉆孔灌注樁頂部和中部均向基坑內(nèi)部產(chǎn)生側向位移，其中部側向位移相對較大，樁體變形如圖11。從圖11 可看出：同種工況條件下，不同位置鉆孔灌注樁變形最大在同樣的樁深位置，且各位置的鉆孔灌注樁側向變形表現(xiàn)出一致的趨勢；基坑1/4處鉆孔灌注樁與1/2 處鉆孔灌注樁的變形相差較小，1/2處鉆孔灌注樁變形最大；基坑1/4處鉆孔灌樁與基坑臨邊鉆孔灌樁的變形相差較大，基坑臨邊鉆孔灌樁變形較小，因此需注重基坑中部圍護結構加固。

圖10 鉆孔灌注樁監(jiān)測點布置Fig.10 Layout of monitoring points of bored pile

圖11 不同位置處鉆孔灌注樁側向變形Fig.11 Lateral deformation of bored pile at different positions

3 種工況下基坑1/2 處鉆孔灌注樁側向變形結果如圖12。圖12 表明：工況1(基坑開挖至3.5 m時)，樁頂部側向變形為2.10 mm，最大側向變形在樁深度7.90 m 處；工況2(基坑開挖至8.5 m)，樁頂部側向變形為4.20 mm，最大側向變形位于樁體深度10 m處；工況3(開挖基坑至坑底15.5 m 時)，樁頂部側向變形為9.52 mm，最大側向變形位于樁體深度11.3 m處。3 種模擬工況下樁頂端側向位移分別占樁體最大側向變形深度的0.027%，0.042%和0.084%，鉆孔灌注樁側向變形最大點隨基坑開挖沿樁體下移，且樁體側向變形變大，均在監(jiān)測標準(±25 mm)范圍內(nèi)。

3種工況下相同監(jiān)測點的樁體側向變形模擬與實測結果如圖13。從圖13可看出：對于工況1，樁體實測值沿著樁長方向浮動小，樁體上下端位移基本一致，側向變形實測值基本接近模擬值；對于工況2 和3，灌注樁分別在樁深10.0 m 和11.3 m 附近側向變形最大，且實測值和模擬值接近；3種工況條件下，鉆孔灌注樁實測值與模擬值的最大變形基本一致，兩者均在監(jiān)測標準范圍內(nèi)(±25 mm)；樁頂側向變形最大實測值與模擬值分別相差0.90，1.80，1.10 mm，這是由于數(shù)值模擬條件較為理想，實際作業(yè)條件不可控因素導致的，但誤差在可接受的標準范圍，模擬值接近實測值，擬合度較好。

圖12 基坑1/2處鉆孔灌注樁變形Fig.12 Deformation of bored pile at 1/2 of foundation pit

圖13 灌注樁側向變形實測值與模擬值Fig.13 Measured and simulated values of lateral deformation of pile

3.3.2 地表沉降

基坑明挖過程中造成地表沉降的主要原因為：基坑開挖過程中會造成基坑圍護結構的破壞，從而引起基坑周圍地表土層擾動，造成基坑周圍土體沉降；地下水對基坑開挖有影響，使土體產(chǎn)生沉降。故一般在基坑開挖過程中需對圍護結構進行保護，避免地表沉降以及基坑工程對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。圖14是不同工況下基坑1/2處到垂直基坑長邊25 m處沿線地表沉降模擬曲線。由圖14可知：地表土體最大沉降并非在圍護結構后，主要是由于圍護結構和土體間的摩擦限制了土體沉降，當基坑開挖深度較淺時(工況1)，基坑外地表沉降最大值出現(xiàn)在垂直距基坑長邊一側2.6 m的位置，最大沉降為7.6 mm；隨著基坑開挖深度的增加(工況2，3)，地表沉降最大值出現(xiàn)在垂直距基坑長邊一側3.5 m和4.3 m處，最大沉降為 10.2 mm和17.0 mm。由此可知，隨著開挖深度的增大，地表最大沉降點位置發(fā)生改變，遠離基坑，但垂直方向距基坑長邊一側20 m后地表幾乎不發(fā)生沉降，基坑外地表沉降曲線符合一般沉降規(guī)律。

地表沉降模擬與實測結果如圖15。由圖15可看出：隨著基坑深度的不斷加大，地表沉降不斷增大；一般在距基坑3.5 m左右的位置發(fā)生最大沉降，最大值并不是距基坑最近的位置；監(jiān)測點L25～L28地表沉降最大點的位置與基坑沉降模擬最大點的位置相似，地表沉降模擬值與實測值接近，趨勢基本一致，且模擬值更具規(guī)律性，表明模擬結果對實際基坑圍護有借鑒作用。

圖14 地表沉降模擬曲線Fig.14 Simulation curves of ground settlement

圖15 地表沉降實測與模擬結果Fig.15 Measured and simulated values of ground settlement

3.3.3 支撐軸力

基坑開挖是一個漸行的動態(tài)過程，會導致支護結構受力處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，基坑開挖后三道支撐的最大軸力實際監(jiān)測和模擬結果見表4。由表4 可看出，實測值和模擬值相差較小，表明模擬結果與實際工程監(jiān)測結果相符，本文的模擬結果可為其他類似工程提供借鑒和參考。

基坑開挖后3道支撐最大軸力模擬值與設計值見表5。由表5可以看出：支撐軸力模擬值均小于設計值，支撐軸力模擬值均在相對安全范圍內(nèi)；第一道混凝土支撐軸力模擬值占設計值的百分比較高，第二道和第三道鋼支撐軸力模擬值占設計值的百分比較低，說明混凝土支撐發(fā)揮的支撐作用較大，兩道鋼支撐軸力模擬值較低，設計過于保守。因此，基坑施工前可參考數(shù)值模擬結果改善設計方案，從而達到安全性和經(jīng)濟性的統(tǒng)一。

表4 開挖后支撐最大軸力Tab.4 Maximum supporting axial force after excavation

表5 支撐軸力的模擬與設計值Tab.5 Simulation and design values of supporting axial force

4 結 論

1)蕪湖火車站基坑開挖過程中的實際監(jiān)測結果表明：隨著基坑開挖深度的增加，鉆孔灌注樁側向變形增大，最終變形趨于穩(wěn)定；地表沉降最大點不是距基坑最近的位置；隨著基坑的開挖，支撐軸力增加，且三道支撐軸力的實測值均在安全范圍內(nèi)。

2)采用有限差分軟件FLAC3D模擬分析蕪湖火車站基坑開挖過程，結果表明：鉆孔灌注樁側向變形最大點隨基坑開挖沿樁體下移，且鉆孔灌注樁側向變形增大，各位置的鉆孔灌注樁側向變形表現(xiàn)出一致的趨勢；基坑圍護結構后，土體沉降隨基坑開挖深度的增加而加大，且最大沉降出現(xiàn)在圍護結構后3.5 m左右處；支撐體系中鋼筋混凝土支撐發(fā)揮了較大的支撐作用。

3)基坑開挖過程中鉆孔灌注樁側向變形、地表沉降、支撐軸力的數(shù)值模擬結果與實際監(jiān)測結果吻合較好，表明本文的數(shù)值結果對基坑施工方案的優(yōu)化具有指導作用。