砂性土深基坑开挖与支护变形监测的数值分析

赵秀绍，艾成刚，王 旭，郑 伟

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）

砂性土深基坑开挖与支护变形监测的数值分析

赵秀绍，艾成刚，王 旭，郑 伟

（华东交通大学土木建筑学院，江西 南昌 330013）

地铁车站深基坑开挖面大、变形控制等级高，而南昌又处在砂性土地区，土层黏聚力较小，与其他地区地质差异较大，基坑开挖与支护可借鉴的经验较少。因此，需要对其变形规律进行研究，为其他车站深基坑设计与施工提供一定的参考。本文以南昌轨道交通某深基坑工程为背景，通过现场实测并结合FLAC3D建立计算模型，对其开挖与支护进行了数值模拟分析，通过计算得出不同开挖阶段的地表沉降、围护桩和周围土壤分层水平位移、轴力的变化规律。研究结果表明：围护桩分层水平位移和轴力以及周围地表沉降直接反映了基坑变形特性，而钢支撑的施加则明显限制了基坑的变形。现场监测结果和数值模拟结果得到的规律基本一致。

深基坑；FLAC3D软件；变形规律；现场监测

0 引言

随着城市的快速发展以及人口的膨胀，交通的拥堵越来越严重，在新形势下，地下交通成为越来越多的城市缓解交通压力的一种重要手段［1－2］。近期，国务院又批复了22个城市的地铁建设规划，总投资达8 820.03亿元人民币，至2016年中国将新建轨道交通线路89条，总建设里程为2 500 km，当前中国广泛掀起一股地铁建设高潮［3］。

深基坑的研究多集中在高层建筑工程领域，而关于砂性土地区地铁车站深基坑稳定性及变形规律的研究成果还较少。因为地铁车站一般位于城市交通较繁华地带，人口以及建筑物较多，因此，在车站施工的过程中必须加强监测以确保附近道路以及建筑的安全［4］。根据南昌轨道交通线路的规划，许多站点处于主干道上，其周边建构筑物（特别是老城区周边的低矮建构筑物）及管线较多，周边环境相对复杂，而且砂性土地带土壤黏聚力较差，因此，在地铁车站深基坑施工的过程中就要特别注意防范，采用信息化施工技术并加强监测，保证深基坑开挖的安全。本文以南昌轨道交通某深基坑施工为工程背景，通过现场实时监测，结合FLAC3D软件进行数值分析，并将两者的结果进行对比，得到了一些关于砂性土地区深基坑的变形规律，为类似工程的施工设计提供一些参考［5］。

1 工程背景

该基坑沿南昌市北京东路下方设置，呈东西走向。北京东路为南昌市的交通主干道，交通繁忙，车流量大。车站周边环境主要是住宅，并有商业金融和少量配套设施用地，地面交通车流量大，情况复杂。本基坑车站为地下两层岛式结构，全长约192 m，最大宽度为22.4 m。勘探深度内，按其岩性及其工程特性，自上而下依次划分为杂填土、粉质黏土、细砂、中砂、粗砂、粉质黏土、砾砂、圆砾、泥质粉砂岩。

2 现场围护结构

车站基坑整体围护结构设计采用的是钻孔灌注桩＋混凝土支撑＋钢管支撑联合作用的方式。基坑开挖之前，根据降水设计方案，基坑周围已经布置了36口深井进行基坑降水。车站深基坑标准段钻孔灌注桩直径800 mm，桩间距为900 mm，深度为21 m，嵌入下层基岩，车站主体标准断面及加宽段在基坑开挖后施作混凝土支撑，随着开挖的进行，自上而下分别设置两道钢支撑，钢支撑采用直径为609 mm的钢管、壁厚为20 mm，钢管支撑提前加预应力。

3 监测方案设计

基坑开挖之前布置好监测点，根据要求，现场监测的内容主要有桩体水平位移、钢支撑轴力、土体分层位移、基坑周边地表变形以及周围建筑物沉降。监测方案的布置方式是：（1）桩顶水平位移测点间隔式布置在围护桩桩冠梁上；（2）周围桩体分层位移以及土体分层位移，分别采用在桩体以及基坑四周埋设带有轨槽的测斜管，分为土体测斜和桩体测斜，使用美国进口基康测斜仪进行监测；（3）地表沉降是在基坑四周以一定间距分别打地表监测孔，先钻孔后打入12号圆钢，深度0.8 m，监测点布置方案如图1所示。

图1 现场部分监测点布置平面图

4 开挖过程FLAC3D计算

土体是一种极其复杂的复合体，具有很复杂的力学特征［6－8］，在外力作用下，土体不仅会产生弹性变形而且还会产生不可恢复的塑性变形［9］，深基坑开挖的影响范围取决于基坑开挖的平面形状、开挖深度以及土的特征分类等［10－12］。计算边界的选取就显得尤为重要，由于基坑是狭长的空间结构，只选取一段进行模拟计算，所以本模型建立了100 m×60 m（宽×深）的范围，共划分52 480个网格单元，57 851个网格节点。模型的底部采用固端约束，左右边界采用法向约束，如图2所示。根据现场勘探报告，将各相似土层做了相应的简化，各土层计算参数及厚度如表1所示。因为本基坑开挖之前已经进行了深井降水，所以数值计算时不考虑水力渗流因素。

图2 FLAC计算模型及网格划分图

表1 模型计算参数

数值计算时，采用摩尔－库伦弹塑性模型［13］，基坑维护结构与土体之间的接触面用接触单元，钢支撑的模拟采用Beam单元，围护桩采用实体单元来模拟。模型的开挖、支护模拟共分为3步；第1步，开挖－2.6 m后，在冠梁上施作第1道混凝土支撑；第2步，开挖至－10.2 m后，在－8.7 m处加装第2层钢支撑，并预加力；第3步，开挖至－15.6 m时，在－14.1 m处加第3层钢支撑，直至开挖完成。

5 计算结果与现场监测结果的对比分析

数值计算使用null命令分3步进行开挖，每一步开挖竖向沉降云图如图3～图5所示，开挖完成后，将计算结果与现场监测结果进行对比，如图6所示。由图6可以看出：在距基坑边缘9 m位置出现沉降最大值，中间出现微量隆起，计算值与实际监测值变化趋势相近，表明了数值模型及参数选取较正确。但计算值较实际监测值平均小4 mm左右，主要是没考虑基坑周围施工机械荷载的影响所致。

根据监测方案，现场对桩身水平位移、基坑周边地表沉降点、土壤分层水平位移进行了实时监测，其中，桩身水平位移和土壤分层水平位移使用的是同一种仪器，即美国基康GK-604测斜仪，因为篇幅所限，现在对图2中的桩身水平位移、土壤分层水平位移断面的测点CX-05、TCX-05和地表沉降点D01-05以及轴力ZL-05的变化规律进行FLAC计算和监测数据的对比分析。

图3 开挖步骤1沉降云图（单位：mm）

图4 开挖步骤2沉降云图（单位：mm）

图5 开挖步骤3沉降云图（单位：mm）

图6 开挖完成后沉降随距基坑边距离变化

5.1 桩体水平位移和土壤分层水平位移计算与监测结果对比

由于在开挖之前已经在基坑四周打上围护桩，是本基坑工程中的主要围护结构，围护桩变形的大小直接关系到基坑的稳定性和安全性，对开挖步骤2和步骤3的CX-05、TCX-05测点的桩身水平位移和土壤分层水平位移的计算结果，与现场监测结果变化情况进行比较分析，如表2所示。分析表2可知：计算结果和监测结果在数值上有些不同，但是变形的趋势基本一致，这可能是数值计算没有考虑天气、施工机械、现场运土车、地下渗流的影响的原因。围护桩最大位移处并没有出现在桩顶，而是在二分之一桩身偏上的位置，土壤水平位移同样显示出这样的趋势，在测斜孔中部偏上位置土层的位移最大，大概处在地下13 m左右。

5.2 地表沉降计算结果与监测结果对比

以断面上的测点D05-01、D05-02、D05-03为例，分析其在3个开挖步骤中的地表沉降变化规律，如图7～图9所示。其中，D05-01、D05-02、D05-03与基坑周边间距分别为3 m、7 m、14 m，对比图7～图9可以看出：随着开挖的进行，基坑四周的地表沉降都在慢慢增大，在整个基坑开挖完成并加上第3道钢支撑后，基坑四周地表沉降增速减慢，并趋向稳定，且从FLAC3D模拟来看，沉降量最大值出现在施加第3道钢支撑之前的一段时间。从实测值和计算值来看，两者数据上有一些出入，但总体变化趋势大致吻合。由图7～图9对比还可以看出：在一定范围内，随着与基坑边缘距离的增加，地表沉降总体有增加的趋势，即一定范围内基坑开挖对周边环境的影响跟距离基坑的远近正相关，因此，在基坑开挖影响范围内的建筑要加强监测，防止出现过大的沉降变形。

表2 基坑四周围护桩水平位移和基坑周边土壤分层水平位移

图7 D05-01现场实测值与计算值对比

图8 D05-02现场实测值与计算值对比

5.3 钢支撑受力的计算与监测结果对比

在断面上取第2道钢支撑ZL02-05为例，分析其在各开挖步骤中轴力的变化规律，如图10所示。由图10可以看出：钢支撑轴力的现场实测值与计算值变化趋势大致接近。在第2道钢支撑施加之后，轴力值有不断增大的趋势，随着开挖进行，轴力值趋近于最大，而后在下一道支撑施加后，轴力值又有微量减小，慢慢稳定下来，最后趋于稳定，在开挖至底部时，轴力还有所增加，但增大量较小。

图9 D05-03现场监测值与计算值对比

图10 ZL-05钢支撑轴力计算值与监测值对比

6 结论

以南昌地铁1号线某车站深基坑工程为背景，采用现场监测与FLAC3D软件模拟相结合的方法，对现场深基坑开挖与支护变形规律进行了分析研究，得到如下结论：

（1）运用FLAC3D建立了深基坑围护结构施工过程的计算模型，并按现场监测方案布置监测点，完成了现场监测工作。基坑开挖完成以后，根据现场监测结果和计算结果来看：两者相差不大，且变化规律基本一致，说明FLAC3D能很好地对基坑分步开挖和支护进行模拟。

（2）深基坑围护桩是重要的结构构筑物，限制着基坑周边土层的位移，因此，桩身水平位移能够很好的反映基坑本身的变形情况，可以作为一个重要的基坑安全指标。地表位移沉降则可以侧面反映基坑围护结构强度，地表沉降在一定范围随距基坑边缘距离增加有增大的趋势，而钢支撑的施加可以限制桩身水平位移和地表沉降等基坑变形，对基坑安全有着重要作用。从现场监测情况来看：有时会出现沉降点相对前几天沉降有隆起的趋势，本文推测可能是因为钢支撑反力作用的结果，从而保证了基坑变形不致过大，保持基坑稳定。

（3）根据监测设计方案，桩身水平位移和土壤分层水平位移预警值为25 mm，控制值为30 mm，而现场监测情况表明桩身水平位移最大值为7.98 mm，土壤分层水平位移为7.1 mm；地表沉降设计预警值为19 mm，控制值为24 mm，而实际监测位移则不到10 mm；轴力情况设计预警值为1 026 kN，控制值为1 283 kN，实际监测轴力最大却不到800 kN，充分说明此深基坑围护设计安全系数很高，但也说明安全设计偏于保守，可以优化设计，同时为后续类似设计施工提供一定参考。

［1］ 任建喜.地铁车站深基坑围护结构变形规律监测研究［J］.铁道工程学报，2009，126（3）：89－92.

［2］ 刘继国，曾压武.FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用［J］.岩土力学，2006，27（3）：505－508.

［3］ 高庆霞.“行业视窗”神州行［J］.建筑施工，2009，12：33－36.

［4］ 高丙丽，张琨，任建喜，等.西安地铁车站深基坑变形规律FLAC模拟研究［J］.中国安全生产科学技术，2012，8（3）：179－184.

［5］ 刘银伟，梁斌，李明，等.盾构穿越既有铁路的地表沉降分析［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2012，33（1）：49－53.

［6］ 董建华，朱彦鹏.深基坑开挖支护三维弹塑性有限元分析［J］.四川建筑科学研究，2008（3）：124－128.

［7］ 马露，李琰庆，蔡怀恩.FLAC3D在深基坑优化设计中的应用［J］.河北工程大学学报：自然科学版，2007，24（4）：35－38.

［8］ 陈波，戚德印.FLAC3D在红黏土深基坑中的应用［J］.贵州大学学报：自然科学版，2009，26（4）：118－122.

［9］ 李好，周绪红.深基坑桩锚支护的弹塑性有限元分析［J］.湖南大学学报，2003，30（3）：86－89.

［10］ 余志成，施文华.深基坑支护设计施工［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［11］ 白明洲，许兆义，时静，等.复杂地址条件下浅埋暗挖地铁施工期地面沉降量FLAC3D分析［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（s）：4254－4260.

［12］ 段立莉，牟林，孙杨.地铁深基坑变形规律及影响因素数值模拟研究［J］.中国安全生产技术，2011，7（12）：38－43.

［13］ 叶强，吴庆令.某深基坑工程的监测分析与变形特性［J］.岩土工程学报，2010，32（s2）：541－544.

U212

A

1672－6871（2014）06－0061－05

国家自然科学基金项目（51208198）；江西省教育厅基金项目（JXJG－13－5－15）

赵秀绍（1978－），男，河南鹤壁人，副教授，博士，硕士生导师，主要从事岩土工程、道路与铁道工程研究.

2014－03－07