地鐵車站深基坑變形監(jiān)測與有限元模擬對比分析

陳 偉

[英泰克工程顧問（上海）有限公司， 上海 200120]

0 引 言

隨著城市化步伐的加快，交通擁堵現(xiàn)象越發(fā)突出，地鐵作為城市高效的交通工具越來越受到人們的青睞。地鐵建設必然涉及深基坑開挖，其基坑開挖深度一般大于 10 m，因而深基坑在開挖過程中支護結構的穩(wěn)定性便成為工程人員關注的焦點。眾所周知，深基坑變形大，尤其在軟土地區(qū)，高含水率、高壓縮性、低強度特性會使基坑在開挖過程中造成更大的變形[1]，極易引發(fā)嚴重的工程事故。例如，2008 年杭州地鐵湘湖站的基坑坍塌事故致使 21人死亡，經濟損失高達 4 961 萬元[2]。由此可見，將現(xiàn)場監(jiān)測成果[3]與數(shù)值模擬[4]分析相結合，來有效控制基坑變形，是現(xiàn)代信息化設計和施工的一大方向，而有限元軟件也成為基坑開挖相關問題研究的強有力的工具[5]。

本文以南京地鐵 5 號線下關站深基坑工程為例，借助現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并結合有限元分析法，對正在施工的基坑安全進行分析，起到了較好的效果，對下一步指導基坑安全施工和類似基坑工程設計和施工起到了一定的借鑒作用。

1 工程概況

1.1 車站概況

南京地鐵 5 號線下關站為 5 號線和 9 號線換乘站，位于江蘇省南京市中山北路與熱河南路交叉口。該車站為 13 m島式站臺，2 層地下室，車站標準段外包寬度為 22.65 m～22.72 m，車站主體結構外包總長為 336.6 m。車站頂板覆土 2.87 m～4.42 m，標準段底板埋深 17.2 m～18.1 m，端頭井底板埋深 19.2 m～19.4 m，換乘段埋深 25.9 m。車站主體為地下 2 層 3 跨矩形框架結構，采用明挖順做法施工（局部采用蓋挖）。

1.2 工程地質條件

擬建車站地貌類型屬長江江漫灘平原區(qū)，地勢較平坦。地面高程 7.5 m～10.0 m，現(xiàn)場地為道路。場區(qū)表層普遍分布人工填土，厚度變化較大，以雜填土、素填土為主。上覆土層以淤泥質粉質黏土、粉質黏土和粉砂為主，下伏基巖為白堊系浦口組泥質粉砂巖。距離場區(qū)較近的地表水體為長江，距離場區(qū)西側約 700 m，對本項目影響不大。場區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，松散巖類孔隙水有孔隙潛水及孔隙承壓水。根據(jù)地質勘查報告，主要物理力學指標如表 1 所示。

表 1 各土層物理力學指標

1.3 西端頭圍護結構設計

車站主體基坑選用地下連續(xù)墻（以下簡稱“地連墻”）+水平內支撐支護體系。西端頭圍護結構采用 800 mm 厚的地連墻，第一道設置混凝土支撐，其余 3 道均為 Φ609×16鋼支撐和一道換撐，混凝土下方設中間臨時立柱。

2 二維有限元模型建立

本文采用商業(yè)有限元分析軟件 MIDAS/GTS NX 建立基坑模型，結合車站基坑形狀建立幾何圖形并導入 MIDAS/GTS NX，輸入表 1 中提供的物理力學參數(shù)；然后對每一區(qū)塊進行網(wǎng)格劃分，吸取結構單元，賦予其力學屬性；接著定義邊界條件和約束；最后按照實際的施工步驟對模型進行計算。在本模型中，土體采用常用的摩爾-庫倫模型，地連墻、內支撐和立柱采用符合其受力特性的梁單元模擬。

3 基坑開挖監(jiān)控內容分析

3.1 監(jiān)控內容分析

現(xiàn)場西端頭開挖深度達到 6 m～7 m，已架設完成第二道支撐，結合各監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析深層土體水平位移和墻頂豎向沉降情況。

3.1.1 深層水平位移

深層水平位移監(jiān)測點預先埋設在車站圍護結構中，按設計提供的監(jiān)測圖斷面沿基坑周邊每隔 20 m 左右布設一根測斜管，測斜管埋設深度為圍護結構深度的 1.5 倍。現(xiàn)場共計 15 根測斜管，分別設為 ZQT01－ZQT08、ZQT26－ZQT32，使用測斜儀采集各深度處的水平位移。具體計算公式為

式中：ΔXi表示i深度的累計位移；Xi表示i深度的本次坐標；Xi0表示i深度的初始坐標；Aj表示儀器在 0° 方向上的讀數(shù)；Bj表示儀器在 180° 方向上的讀數(shù)；C表示探頭標定系數(shù)；L表示探頭長；θj為傾角。

3.1.2 墻頂豎向沉降

墻頂豎向沉降應沿其結構體延伸方向布設，監(jiān)測點的布設位置和數(shù)量按照設計要求布設，將監(jiān)測點采用電鉆鉆孔方式布設“I”型標志點于支護結構頂部，觀測時將水準尺直接放置于“I”型標志點頂部。本項目共布設 15 個測點，分別設為 ZQC01～ZQC08、ZQC26～ZQC32，從基準點出發(fā)，采集各監(jiān)測點的高程，確定出墻頂沉降量。在首次觀測前，必須連續(xù)測 3 次，取平均值作為各測點的初始高程。

3.2 監(jiān)控預警分析

在施工過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)一旦達到預警指標應及時發(fā)布預警通知并采取相應措施。依據(jù) DGJ32/J 195－2015《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)預警分級標準見表 2 所示。

表 2 監(jiān)測預警分級標準

3.3 基坑開挖工況分析

本項目支護形式采用地連墻+水平內支撐體系。開挖期間，應嚴格按照規(guī)范要求和現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)反饋合理安排監(jiān)測頻率，確?；娱_挖安全進行，具體施工工況如下所述。

（1）施工工況一：地連墻施工、預埋測斜管及依照監(jiān)測方案布設各監(jiān)測點等前期工序。

（2）施工工況二：基坑內布設疏干井，將地下水降至開挖面以下 1 m。當基坑開挖至第一道支撐時，架設第一道鋼筋混凝土支撐并進行養(yǎng)護，直至混凝土強度達到設計要求。

（3）施工工況三：當開挖至第二、第三、第四道支撐標高時，及時架設鋼支并施加預應力，隨挖隨撐，嚴禁超挖。

4 數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反饋，可以實時掌握目前基坑實際變形情況，再借助有限元計算結果，可以有效控制基坑開挖，從而保證開挖過程中基坑的安全和穩(wěn)定。

4.1 實測數(shù)據(jù)分析

4.1.1 深層土體土體水平位移

從 2018 年 11 月 27 日起，由西端頭開始向東分步開挖。為了便于研究基坑開挖對圍護結構穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)選取西端頭具有代表性的、在開挖過程中出現(xiàn)紅色預警的ZQT01 與 ZQT32 深層土體水平位移監(jiān)測點進行比較分析，其中 ZQT01 為后補土體測斜孔。監(jiān)測結果如圖 1 所示。

圖 1 深層土體水平位移變化情況

由圖 1 可以看出，基坑開挖至 2018 年 12 月 9 日之前，圍護結構變形不大，日變化量基本控制在 1 mm 以內，而在 12 月 12 日，ZQT01 和 ZQT32 日變化量分別達到4.67 mm 和 10.14 mm，均超出監(jiān)測數(shù)據(jù)控制值的 1.5 倍（控制值為 ±3 mm），達到紅色預警狀態(tài)，隨后日變化量迅速下降至 1 mm 以內。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)反饋結合現(xiàn)場施工情況分析可知，12 月9 日左右，基坑開挖至第一道鋼支撐作業(yè)面時，由于吊車及鋼構件施工等荷載的作用，西端頭地面以下土體發(fā)生擾動，加上現(xiàn)場持續(xù)降水，使得端頭處墻體向坑內傾斜。由于天氣等各種不確定因素，未及時架設鋼支撐，圍護結構暴露時間高達數(shù)日，再加上基坑工程具有很強的復雜性和時空效應，到 12 月 12 日，ZQT01 和 ZQT32 發(fā)生突變，日變化量達到紅色預警狀態(tài)，直到 12 月 14 日端頭處鋼支撐架設完畢，突變情況才趨緩和。從圖 1 可以看出，兩個測點的變化速率恢復穩(wěn)定，說明支撐的架設對抵擋圍護結構變形、保障基坑安全起到顯著作用。

4.1.2 墻頂沉降

依舊選取 ZQC01 和 ZQC32 沉降監(jiān)測點，匯總墻頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)并作出曲線圖（見圖 2）。

從圖 2 可以看出，墻頂沉降整體控制在 ±5 mm 以內，遠小于控制值，具體原因如下：基坑開挖深度不大，由此產生的墻頂沉降還在可控范圍之內；冠梁的整體剛度對墻頂沉降起到一定的約束作用。

圖 2 墻頂沉降變化情況

4.2 實測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)對比分析

現(xiàn)對深層水平位移 ZQT32 和墻頂沉降 ZQC32 的監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元計算結果進行比較（見圖 3 和圖 4）。

由圖 3 和圖 4 可知，墻體變形總體呈拋物線形式，最大變形約在開挖面以下 13 m 處。兩者之間變化趨勢大體相當，但仍存在一定誤差，計算值和實測值最大誤差約為5 mm，最小誤差在 1 mm 以內，差別不大。分析表明，有限元的計算結果能較好地與現(xiàn)場實測得到的數(shù)據(jù)相吻合，并且累計位移都在預警值范圍之內。

圖 3 水平位移變形對比圖

圖 4 墻體沉降變形對比圖

5 結 語

通過建立地鐵車站基坑的有限元模型，總結分析基坑開挖過程中現(xiàn)場實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)，將有限元計算結果與實測結果進行對比分析，得出如下結論。

（1）基坑開挖對圍護結構變形會產生顯著的影響，及時架撐能有效控制基坑變形速率。

（2）靠近基坑周邊構件堆載及大型機械施工會對土體產生一定的擾動，因此在施工過程中應盡量減小基坑周邊堆載和堆載時間。

（3）有限元模擬結果與實測結果能較好的吻合，兩者誤差較小。這就能對下一步基坑開挖后的位移場和應力場進行初步的定量分析，以確保工程和基坑周邊環(huán)境安全。

（4）有限元模型只適用于基坑施工嚴格按照設計規(guī)范要求下的理想情況，由于現(xiàn)場施工存在的不確定因素，模擬結果對基坑下一步施工存在參考價值。