蘇州某地鐵基坑工程變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬分析

錢洋新 劉優(yōu)平 李雨希 張恭平

（南昌工程學(xué)院土木與建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330099）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的城市為了能夠滿足人們的出行需求以及適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，都在不斷地開(kāi)展地鐵建設(shè)。地鐵一般都是建在城市人口流量較多以及對(duì)整個(gè)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常重要的地方，工期也十分緊迫。并且基坑工程也涉及力學(xué)、地質(zhì)學(xué)、施工以及監(jiān)測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，是一個(gè)綜合性非常強(qiáng)的學(xué)科[1]。要保障地鐵基坑工程施工的安全，對(duì)其進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)是非常有必要的。國(guó)內(nèi)在基坑的監(jiān)測(cè)上做了不少的研究，曹浪[2]等用數(shù)值模擬的方法對(duì)超深基坑進(jìn)行分析，研究了預(yù)加固技術(shù)和后加固技術(shù)對(duì)基坑變形的影響，為后續(xù)超深基坑工程提供了參考。金生吉[3]等通過(guò)埋設(shè)傳感器元件對(duì)超深基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。楊睿[4]等為研究基坑對(duì)周圍環(huán)境的影響，對(duì)西安某地鐵基坑工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。任俊勇[5]通過(guò)有限元軟件對(duì)基坑整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析各個(gè)施工階段的變形機(jī)理。宋詩(shī)文[6]通過(guò)優(yōu)化基坑支護(hù)形式，與設(shè)計(jì)的施工方案進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，給出優(yōu)化施工方案。所以針對(duì)基坑所需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)的內(nèi)容要加以分析，并對(duì)其相應(yīng)的變形規(guī)律給出需要改進(jìn)的方案以及建議，才能夠保障基坑安全的施工[7-10]。綜上所述，對(duì)地鐵基坑的開(kāi)挖施工建設(shè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)是非常有必要的，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)分析來(lái)指導(dǎo)施工，確保工程的安全性。

本文結(jié)合蘇州某地鐵站的基坑工程，對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制出了變形圖，并對(duì)其變化情況加以分析，同時(shí)用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行施工模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)該基坑工程的安全性進(jìn)行分析，為其施工建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程概況

該地鐵站位于蘇州市。它的長(zhǎng)度為209 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.1 m，站臺(tái)寬度11 m，采用兩層單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)。有效站臺(tái)中心里程處底板埋深約為11.64 m，車站采用明挖順作法施工。整個(gè)基坑采用地下連續(xù)墻、角板撐、砼支撐及鋼支撐的圍護(hù)形式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)第一道支撐采用截面尺寸為600 mm×600 mm 的砼支撐，冠梁截面尺寸為800 mm×800 mm；冠梁、砼支撐均采用C30 混凝土，擋土墻厚為800 mm，第二道支撐為鋼支撐。

本項(xiàng)目工程監(jiān)測(cè)等級(jí)的劃分主要依據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》來(lái)實(shí)施[11]。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖

3 有限元模型建立

3.1 模型的材料參數(shù)選取

根據(jù)詳細(xì)的地勘資料分析，將該項(xiàng)目的土層從上而下分為6 層，均采用修正莫爾庫(kù)倫模型類型，其詳細(xì)的土層參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層主要的物理力學(xué)性質(zhì)

混凝土支撐梁、鋼支撐梁、冠梁及圍檁所用的材料均選擇彈性本構(gòu)模型。其物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料物理力學(xué)性質(zhì)

2.2 有限元模型的建立

本項(xiàng)目采用巖土專用有限元軟件Midas GTS NX，考慮基坑開(kāi)挖對(duì)周圍土體的影響范圍，將模型的邊界寬度設(shè)置為2.5 倍的基坑開(kāi)挖深度，模型的整體大小為270 m×80 m×32 m，土體及其地下連續(xù)墻采用實(shí)體單元，根據(jù)各土層的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)的物理力學(xué)性質(zhì)，為使該模型在建立過(guò)程中不出現(xiàn)自由面，能夠得到耦合，用有限元軟件的混合網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共生成節(jié)點(diǎn)53 118 個(gè)，單元73 135 個(gè)，其有限元模型及圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 車站及其圍護(hù)結(jié)構(gòu)有限元模型

3 模擬方案及其結(jié)果分析

3.1 施工過(guò)程模擬分析

根據(jù)該車站的施工步驟情況，將該模型進(jìn)行施工模擬，地鐵基坑開(kāi)挖深度為12 m，共采取5 個(gè)施工工況步驟。具體參數(shù)如表3 所示。

表3 工況步驟

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移分析

圖3 為測(cè)點(diǎn)ZQT16 圍護(hù)墻體通過(guò)模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)得出來(lái)的變形曲線圖，通過(guò)該圖可以得知，其地下連續(xù)墻的深層水平位移的模擬曲線與實(shí)測(cè)曲線不一樣，但其變化趨勢(shì)是一致的，這就表明了使用有限元軟件的數(shù)值模擬方法在反映實(shí)際地鐵基坑施工中的情況，具有一定的參考性，設(shè)計(jì)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移最大的數(shù)值分別是8.3 mm 和9.7 mm，分別是實(shí)際基坑開(kāi)挖深度的0.069%和0.08%，都低于實(shí)際設(shè)計(jì)的最大安全容許位移數(shù)值30 mm，二者均滿足了安全的要求。模擬曲線和實(shí)際曲線的最大水平位移深度值大約是9 m，均在實(shí)際開(kāi)挖深度的2/3 左右。在開(kāi)挖的整個(gè)過(guò)程中，整個(gè)圍護(hù)墻都向基坑內(nèi)測(cè)發(fā)生水平位移，且位移曲線是中間大兩頭小的特征，屬于是“弓”形的變形趨勢(shì)。

3.3 周邊地表沉降分析

周邊地表沉降分析選擇標(biāo)準(zhǔn)段的中間測(cè)點(diǎn)DBC16 進(jìn)行分析，通過(guò)其模擬結(jié)果得出的變化趨勢(shì)與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果變化圖如圖4 所示。

圖4 長(zhǎng)邊中部測(cè)點(diǎn)DBC16 周邊地表沉降位移

根據(jù)圖形顯示可知，在基坑的開(kāi)挖初期時(shí)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的周邊地表沉降量較小，隨著基坑的深度開(kāi)挖，周邊地表的沉降呈現(xiàn)“三角形”的變形趨勢(shì)，并且其最大沉降量的位置隨著基坑的施工進(jìn)行離基坑也越來(lái)越遠(yuǎn)，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，它的沉降數(shù)值才慢慢變小。同時(shí)通過(guò)變化曲線可知，兩種方式所得出的結(jié)果顯示變化趨勢(shì)大致一樣，其最大的沉降量分別為4.3 mm、5.5 mm，分別占開(kāi)挖深度的0.036%和0.046%，都低于容許最大變化值30 mm，在距離基坑8.5 m 左右，其地表的沉降值達(dá)到最大。同時(shí)通過(guò)變化曲線可知，距離基坑邊緣大致0～20 m（1.6H）左右，其周邊地表沉降為受基坑開(kāi)挖的主要影響區(qū)，超過(guò)30 m 的范圍地表沉降受基坑開(kāi)挖的影響較小。所以，整個(gè)施工過(guò)程中，在保證安全以及質(zhì)量的前提下，工期不宜過(guò)長(zhǎng)，要時(shí)刻監(jiān)測(cè)地表的沉降變化，避免造成施工事故。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)使用有限元軟件Midas GTS NX 對(duì)蘇州某地鐵站點(diǎn)基坑進(jìn)行了施工模擬，對(duì)該站基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了模擬分析，并與工程實(shí)際結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到如下結(jié)果：

（1）通過(guò)有限元得出的模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)所得出的結(jié)果其變形趨勢(shì)大致相同，說(shuō)明通過(guò)有限元模擬來(lái)反應(yīng)基坑施工的變化，有一定的參考價(jià)值，并且指導(dǎo)了該基坑的施工。

（2）在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻體深層水平位移呈現(xiàn)“弓”形的特征，在基坑開(kāi)挖深度的2/3 處左右，其變形位移最大。

（3）在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，其周邊地表的沉降呈現(xiàn)“三角形”的變化趨勢(shì)，并且在距基坑大致8.5 m 的距離，它的沉降量達(dá)到最大。

（4）基坑的標(biāo)準(zhǔn)段長(zhǎng)邊中點(diǎn)所受的彎矩最大，并且容易受施工車輛的荷載、天氣，施工工期的影響，所以應(yīng)特別注意此處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形以及地表沉降的變化情況，確保其安全性。