蘭州某地鐵深基坑智能監(jiān)測及數(shù)值模擬研究

劉小軍 蔣希雁 唐述林 李 博

(1.河北建筑工程學院，張家口 075000；2.中鐵二十一局集團有限公司勘察設(shè)計院，蘭州 730000；3.中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司，蘭州 730000)

0 引 言

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，建筑行業(yè)取得了長足的進步.由于城市人口密集、用地緊張，地鐵成為緩解城市交通壓力的最佳選擇，但地鐵選址一般位于城市中心地帶，其基坑的施工無疑會影響周圍建筑物與地下管網(wǎng)的安全，因此，深基坑工程的設(shè)計與施工一直是許多學者研究的重要課題.

許多學者將現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬相結(jié)合，對地鐵深基坑的變形規(guī)律進行了研究，取得了許多成果.劉杰等人依據(jù)地鐵車站維護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其在基坑開挖中的變化規(guī)律進行了分析[1]；劉勇等人對北京地鐵的基坑變形進行研究，通過將監(jiān)測結(jié)果與建模結(jié)合起來，使模擬結(jié)果更為接近實際工況[2]；徐凌等人通過FLAC3D對基坑進行模擬，得出該軟件模擬結(jié)果較為接近實際監(jiān)測結(jié)果[3]；劉繼國等人通過模擬分析了基坑土體、支護墻體的變形規(guī)律[4]；吳意謙等人對蘭州黃土地區(qū)的地鐵基坑變形進行了研究[5]；葉帥華等人對蘭州地鐵深基坑的支護形式進行了比選，得到了合理的支護設(shè)計方案[6]；周勇等人對蘭州地區(qū)地鐵支護體系的變形規(guī)律進行了分析，同時對基坑變形進行了有限元模擬研究[7]；陳軍通過對某基坑工程全過程進行分析，提出在施工中依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)動態(tài)施工[8]；潘林有通過建立智能監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)可實時查看監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整施工工序[9].蘭州地處西北，地鐵建設(shè)經(jīng)驗較少，因此對該深基坑進行數(shù)值研究很有必要.

深基坑工程的計算，以往常采用的計算方法有太沙基法、彈性抗力法等.隨著信息技術(shù)的發(fā)展，有限元法廣泛應用于模擬基坑開挖和支護，如ABAQUS、MIDAS等.本文使用的FLAC3D軟件是一種基于三維顯式的有限差分法，用于模擬巖土等其他材料的三維力學特征[10].本文通過對蘭州地鐵定西路站深基坑采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了基坑變形規(guī)律及模擬的準確性，為保證開挖過程中基坑的穩(wěn)定提供依據(jù).

1 工程簡介

1.1 工程介紹

該地鐵深基坑工程位置如圖1所示，為蘭州地鐵2號線標準中間站.車站主體長256.9 m，寬20.5 m，主體結(jié)構(gòu)底板埋深約21 m，主體結(jié)構(gòu)為地下兩層單柱雙跨箱型框架，采用明挖順做法施工.

圖1 場地平面位置示意圖

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)場地勘察報告，該場地在45.0 m深度范圍內(nèi)主要存在以下地層：人工填土(Q4ml)、全新統(tǒng)沖積土(Q4al)、黃土狀土、卵石及粉砂巖組成.各土層的物理力學參數(shù)見表1.

表1 各土層物理力學參數(shù)

1.3 地下水

基坑區(qū)域地下水以松散層孔隙潛水為主，埋深8.8 m～11.6 m，含水層主要為卵石層，含水層厚度為5.0 m～11.0 m；卵石下的粉砂巖層為相對隔水層，但強風化粉砂巖及中風化粉砂巖存在裂隙水，結(jié)合地下水的分布與地層情況，地下水控制方式采用咬合樁止水帷幕.

1.4 支護體系

該地鐵深基坑土方開挖采用明挖法施工，基坑支護采用鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的型式，為保證附近建筑物的安全與穩(wěn)定，上部第一道支撐設(shè)置為鋼筋混凝土支撐，其截面尺寸0.8 m×1.0 m，間距6 m；其余兩道支撐設(shè)置為直徑609 mm、壁厚20 mm的鋼管內(nèi)支撐，間距3 m.基坑支護平面圖如圖2所示，圖3、圖4為基坑支護的剖面圖.

圖2 基坑支護平面圖

圖3 基坑支護1-1剖面圖 圖4 基坑支護2-2剖面圖

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值建模

由于基坑南北對稱，取基坑1/2進行數(shù)值建模.考慮模型邊界條件對模擬結(jié)果的影響，模型的水平邊界與豎向邊界分別取基坑深度的4倍、3倍，因此模型尺寸取220 m×204 m×80 m，地表荷載設(shè)置為20 kPa.基坑降水與開挖模擬分別采用流固耦合模型、摩爾-庫倫本構(gòu)模型.模型的邊界條件為：頂部自由，底部固定，側(cè)面邊界法向固定、切向自由.FLAC3D模型網(wǎng)格如圖5所示，模型單元數(shù)達604608個，支護體系采用軟件中Liner單元與Beam單元分別模擬鉆孔灌注樁與支撐，如圖6所示.

圖5 基坑數(shù)值模型 圖6 基坑支護體系模型

2.2 工況模擬

主要模擬工況如表2所示,預應力施加采用位移法.

表2 主要模擬工況

2.3 模擬結(jié)果

首先對基坑模型進行初始平衡計算，運用軟件命令施加孔隙水壓力，采用流固耦合模型模擬基坑降水.通過記錄模擬結(jié)果中測點的沉降，可知在前期沉降增長較快，后期地表沉降增長較慢與坑底土體應力釋放有關(guān)，開挖完畢后沉降達到最大值.圖7為最終基坑某斷面上豎向位移云圖基坑開挖完畢后樁體水平位移云圖如圖8所示.根據(jù)各工況開挖模擬結(jié)果，樁體水平位移位置隨基坑的開挖從最初的樁體頂部逐漸降低，最終樁體最大水平位移位于距坑底6 m處，位移值約11mm.

圖7 基坑豎向位移云圖 圖8 樁體水平位移云圖

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測項目

為保證在開挖過程中基坑的安全與穩(wěn)定，對基坑周圍地表沉降、樁頂與樁體水平位移、地下水位、支撐軸力、建筑物傾斜等多個項目進行了現(xiàn)場監(jiān)測.本文選擇最有代表性的地表沉降、樁體水平位移與支撐軸力三個監(jiān)測項目進行分析.

3.2 測點布設(shè)

測點布置中，從基坑南側(cè)到北側(cè)共布設(shè)有地表沉降監(jiān)測16組，30處樁體水平位移監(jiān)測點，軸力監(jiān)測11個斷面，46處建筑物沉降監(jiān)測等.根據(jù)基坑形狀特點，本文選取具有代表性的3個斷面進行研究，測點布設(shè)如圖9所示，其中CX3與ZL3采用自動化監(jiān)測.

圖9 監(jiān)測點布設(shè)圖

自動化監(jiān)測示意圖如圖10所示.首先安裝測斜儀HC-CX300和鋼筋計HC-9011，由振弦式無線采集終端HC-Z1600實時采集鋼筋計與測斜儀的數(shù)據(jù)，再通過無線智能數(shù)據(jù)采集終端HC-M600將采集數(shù)據(jù)同步至自動化監(jiān)測平臺.自動化監(jiān)測設(shè)備箱如圖11所示.

圖10 自動化監(jiān)測示意圖 圖11 自動化監(jiān)測設(shè)備箱

4 監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 地表沉降分析

施工監(jiān)測中主要施工節(jié)點如表3所示.

表3 主要施工階段

圖12為測點DB1沉降變化曲線，選取DB1中四個沉降測點進行對比分析.測點DB1-1、DB1-4距坑邊7 m，兩測點距坑變較遠，其最大沉降值為4 mm；而測點DB1-2、DB1-3位于坑邊4 m處，其沉降值明顯增大，分別達到了10 mm、13 mm，該斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，地表沉降主要位于基坑周圍.從沉降變化曲線可知，地表沉降隨開挖深度不斷增大，主要是土方開挖后樁體所受土壓力增大導致；2018年5月，地表沉降回升，主要是因為坑內(nèi)土體應力釋放引起了坑底的回彈；根據(jù)測點DB1-1、DB1-2的變化趨勢可知，地表沉降呈現(xiàn)出隨測點與坑邊距離的增加先增大后減小的變化規(guī)律.

圖12 DB1沉降變化曲線 圖13 CX1樁體水平位移曲線

4.2 樁體水平位移分析

測點CX1的樁體水平位移曲線如圖13所示.從圖可知樁體水平位移隨基坑開挖深度逐漸增大，2018年6月土方開挖完畢，最大位移達到8 mm.根據(jù)樁體位移變化曲線，2018年2月，樁體水平位移集中在樁體上部，樁體變形呈前傾型；2018年4月隨著基坑的繼續(xù)開挖與支撐的施工，樁體最大水平位移由樁頂向樁身位置移動，最大水平位移部位最終距離樁頂15 m處，樁體變形趨勢由前傾型轉(zhuǎn)變?yōu)楣?

4.3 支撐軸力分析

選取軸力ZL1分析，軸力監(jiān)測曲線見圖14.混凝土支撐ZL1-1軸力隨著基坑的開挖不斷增大，最大值約為1700 kN；4月份進行卵石層開挖，ZL1-2軸力從980 kN增大至1650 kN左右；第3層鋼支撐ZL1-3的預加軸力880 kN，基坑開挖完成后，軸力值達1100 kN.

圖14 ZL1軸力變化曲線

從圖14可知，初期主要為進行粘聚力大且重度小的雜填土與黃土土層的開挖，引起的土壓力較小，因此軸力增長較慢；在卵石層開挖中，由于其重度大且?guī)缀鯚o粘聚力，使得鋼支撐軸力增長較快.基坑從黃土層到卵石層開挖中，軸力表現(xiàn)為先慢后快的增長規(guī)律，在坑底紅砂巖開挖中各層軸力基本穩(wěn)定.

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析

選取第3斷面監(jiān)測項目進行對比分析.

5.1 地表沉降對比分析

DB3斷面沉降監(jiān)測與模擬曲線如圖15.根據(jù)測點分布圖，DB3-1、DB3-2分別距坑邊3 m、4 m，兩者實際沉降分別達5 mm、4 mm，從圖可知，整體上沉降值隨基坑深度不斷增大，后期沉降較為穩(wěn)定；結(jié)合模擬結(jié)果分析，測點DB3-1和DB3-2模擬的最大沉降值為7 mm、5 mm，數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的地表沉降值誤差小于2 mm，說明模擬的結(jié)果較為準確；模擬值與監(jiān)測值的變化趨勢基本一致，表現(xiàn)為前期增長快，后期趨于穩(wěn)定.

圖15 DB3沉降監(jiān)測與模擬曲線 圖16 CX3樁體水平位移監(jiān)測曲線

5.2 樁體水平位移對比分析

測點CX3的樁體水平位移監(jiān)測曲線見圖16，該測斜孔通過智能設(shè)備實時采集6個測斜儀數(shù)據(jù).從圖可知，樁體最大水平位移由樁頂隨基坑開挖逐漸下移至樁體中下部，最大位移為5.5 mm.由于樁位的偏差，開挖過程中對該處樁體進行修整，2018年7月在距坑頂4 m處增設(shè)一道鋼支撐，使樁頂?shù)乃轿灰浦饾u減小，9月份僅為1.5 mm.

圖17為測點CX3樁體的模擬曲線.通過與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比，兩者的變化趨勢一致，模擬中樁體未受損，樁頂水平位移模擬值均小于監(jiān)測值；樁體最大水平位移也位于中下部，位移值為7.2 mm，現(xiàn)場監(jiān)測位移為5.5 mm，兩者差值較小.

圖17 CX3樁體水平位移模擬曲線 圖18 ZL3軸力監(jiān)測與模擬曲線

5.3 支撐軸力對比分析

圖18為ZL3軸力監(jiān)測與模擬曲線.從監(jiān)測曲線看，混凝土支撐ZL3-1軸力從2018年4月的260kN隨開挖深度不斷增大，8月份達到軸力最大1250 kN，之后逐漸減小至880 kN；支撐ZL3-2軸力從700 kN增長至1200 kN，表現(xiàn)為先增長后穩(wěn)定；支撐ZL3-3在8月架設(shè)時預應為460 kN，9月軸力達到920 kN.通過分析該斷面的現(xiàn)場情況可知，ZL3-1軸力增長主要由于樁體變形較大且離居民樓僅4m，在對該斷面加固后，樁體上部的變形受限，樁體位移主要集中于中下部，使得ZL3-1減小，而基坑中下部的ZL3-2和ZL3-3鋼支撐的軸力增長較快.

通從兩者變化曲線可看出，ZL3-1與ZL3-3兩者的模擬結(jié)果與實際監(jiān)測軸力基本一致，變化趨勢吻合，但ZL3-2模擬結(jié)果與實際軸力存在較大誤差.

6 結(jié) 論

1)通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，地表沉降、樁體水平位移等最大值都在允許范圍之內(nèi)，說明所選擇的基坑支護方案效果優(yōu)異；同時，這種支撐體系中的鋼支撐施工方便，可多次使用，降低工程成本.

2)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，地表沉降、樁體位移以及支撐軸力三者之間相互影響，且具有時效性.基坑變形有以下規(guī)律：隨距坑邊距離的增大，地表沉降先增大后減小，較遠處沉降很小，同一點的沉降值隨土方的開挖前期逐漸增大，后期沉降值為負，這與坑底土體回彈有關(guān)；軸力變化整體上隨基坑開挖表現(xiàn)為先增大后減小，最后趨于穩(wěn)定；對于樁體水平位移，在基坑開挖初期，樁體呈前傾型，后期樁體位移不斷下移至中下部使樁體呈“弓”型，最終最大水平位移位于距坑底約1/4倍坑深處.

3)通過對支撐軸力、樁體位移等分析，其變化規(guī)律與開挖土層的地質(zhì)條件密切相關(guān).在開挖黃土、卵石層以及紅砂巖層時，支撐軸力及樁體水平位移等變化速率有明顯區(qū)別.運用FLAC3D進行數(shù)值建模，通過模擬結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，模擬結(jié)果較為符合實際情況，這表明模型的建立和主要參數(shù)的選取較為合理，如彈性模量E、內(nèi)聚力C、摩擦角φ等.通過對基坑進行數(shù)值模擬研究，可將模擬結(jié)果作為基坑設(shè)計和施工的科學依據(jù).