地铁基坑开挖桩体与钢支撑变形与受力的数值模拟

郭文章，储征伟

(南京市测绘勘察研究院有限公司，江苏 南京 210000)

1 引 言

随着我国众多城市轨道交通建设的迅猛发展，各种施工工法及工艺应运而生，有明(盖)挖法、盾构法、矿山法等，各种工法均会引起工程本身以及周边环境的变形，从而隐藏了众多不安全因素，为了提前发现和预测各种变形的发生，确保工程自身和周边环境的安全，监测作为一种信息化施工手段［1～3］，在地铁建设过程中已愈来愈多的被采用。

20 世纪40年代国外学者Terzaghi 提出预估挖方稳定程度以及支撑荷载大小的总应力法［4］。到了60年代，仪器监测开始应用于软粘土深基坑工程中。随着土压力理论的发展，挡土结构的内力计算模型和计算方法不断完善［5～7］，试验水平和测量技术也有了很大进步。70年代有限元理论开始应用于基坑稳定和基坑变形等方面［8］。20 世纪80年代后，国内学者对深基坑工程逐渐展开深入研究，取得了很多成果，例如:刘建航和侯学渊［9］提出了时空效应法;蒋洪胜、刘国彬［10］通过对地铁车站深基坑开挖全过程的支撑轴力进行跟踪监测，研究了基坑开挖支护结构的支撑轴力的变化规律;吴兴龙、朱碧堂［11］结合上海三角地广场基坑工程指出在基坑设计中应充分考虑时空效应，边挖边支，减少土体强度的衰减，保证支护结构的稳定性;张永利、马海龙［12］分析了深基坑工程事故发生的原因，提出深基坑工程的设计施工中需要解决的问题;杨茂忠、陈向东［13］提出了信息化施工的基本概念、方法以及应用管理程序，并介绍了信息化施工在深基坑开挖施工中的应用。

本文运用有限差分软件FLAC3D 对南京市地铁三号线卡子门车站基坑开挖过程中的桩体水平位移和钢支撑轴力的变形进行了数值模拟，并与实际监测结果进行对比，其吻合性较好，论证了数值模拟应用在基坑开挖中支护结构变形分析的可行性，并得出了支护体系的变形规律。论文通过将现场监测和数值模拟相结合，可以提供更加合理的基坑监测报警值，为深基坑施工提供更加科学的信息指导。

2 工程概况

2.1 车站概况

南京地铁三号线卡子门站为双柱三跨两层站，站厅层布置于地下1 层，站台层位于地下2 层。车站总长度为170.9 m，南、北两端为盾构端头井，南端宽28.10 m、深19.82 m(换乘节点处深24.52 m);北端宽 47.85 m、深24.1 m，标准段宽24.1 m、深16.81 m。车站设有4 个出入口、2 组风亭。其中1、2号(2a、2b、2c 号)出入口设置在车站东侧，3 号出入口设置主体结构西侧，4 号出入口为预留。

车站主体采用明挖顺作法施工，围护结构采用钻孔咬合桩及钻孔灌注桩+内支撑围护结构。北段加宽段三道支撑全为钢筋混凝土支撑(800 mm×900 mm)，标准段及南端一道钢筋混凝土支撑三道钢支撑，换乘节点处一道钢筋混凝土支撑五道钢支撑。车站两端端头井作为盾构始发井。

2.2 车站工程水文地质概况

该站地形较平坦，地面高程在16.2 m～16.9 m之间，地貌属坳沟。该站地层自上向下分布地层分别为:①－1 杂填土(松散～稍密)、①－2 素填土(软～可塑，局部流塑)、②－1b2－3 粉质粘土(软～可塑，局部流塑)、②－3b3－4 粉质粘土(软～流塑)、③－4b2－3 粉质粘土(可～软塑)、③－4e 含卵砾石粉质粘土(软～可塑)、④－1b1 粉质粘土(硬塑，局部可塑)、④－2b2粉质粘土(可塑，局部软塑)、④－3b1 粉质粘土(硬塑，局部可塑)、④－4e 含卵砾石粉质粘土(可～软塑)、K1g－2 泥质粉砂岩、粉砂质泥岩(强风化)。

图1 卡子门站地层剖面图

车站底板位于④－3b1 粉质粘土和②－3b3－4 粉质粘土土层中，车站地层情况如图1 所示。

该站地下水类型主要为松散地层中的孔隙水，其次为基岩裂隙水。松散地层中的孔隙水是本段地下水的主要类型，根据其埋藏条件和水力性质，可以划分为浅层潜水、弱承压水、基岩裂隙水。浅层潜水含水层包括人工填土层、全新世冲淤积成因的软弱粘性土层，隔水底板为③、④层粉质粘土;弱承压水含水层主要为③－4e、④－4e 含卵砾石粉质粘土，隔水顶板为粘性土，隔水底板为下伏岩层。

基坑降水措施:基坑采用坑内降水，开挖期间需保证坑内水位低于开挖面以下0.5 m。该车站各土层力学参数如表1 所示。

土层力学参数表 表1

3 基坑开挖数值模拟

3.1 本构模型

采用摩尔—库仑(Mohr_Coulomb)强度准则。

3.2 基坑模型的建立

本文以卡子门站为模板建立模型并进行数值模拟。卡子门站标准段宽22.1 m，开挖深度16.86 m，拟采用开挖尺寸50 m×22 m×17 m(长×宽×深)。一般模拟尺寸选开挖尺寸的3 倍～5 倍最为合理，基坑开挖的影响宽度约为开挖深度的3 倍～4 倍，影响深度约为开挖深度的2 倍～4 倍，因此，采用的模型尺寸为160 m×70 m×50 m，共产生19 320 个节点，17 304个单元，5 219个结构构件，如图2 所示。

图2 基坑模型

钻孔灌注桩采用桩结构单元pile 模拟，桩径1 000 mm，桩心距1 200 mm，桩长26 m，采用C30 混凝土，桩顶冠梁采用梁结构单元beam 模拟，冠梁尺寸为1 000 mm×1 000 mm，采用C30 混凝土，如图3 所示。

图3 钻孔灌注桩和冠梁模型

挡土墙采用壳结构单元shell 模拟，挡土墙厚度为80 mm，采用C25 混凝土。采用梁结构单元beam 模拟第一道混凝土支撑和第二、三、四道钢支撑，混凝土支撑截面尺寸为800 mm×900 mm，采用C30 混凝土，钢支撑采用内径609 mm的Q235b 钢，厚度为16 mm。

3.3 基坑开挖数值模拟

本次基坑开挖共分为五步，通过FLAC 命令model null 来实现。

(1)开挖第1 层，从地表到地下1.5 m，并做第一道混凝土撑;

(2)开挖第2 层，从地下1.5 m到地下6.6 m，并做第二道钢支撑;

(3)开挖第3 层，从地下6.6 m到地下11.1 m，并做第三道钢支撑;

(4)开挖第4 层，从地下11.1 m到地下14.6 m，并做第四道钢支撑;

(5)开挖第5 层，从地下14.6 m到地下17 m。

3.4 模拟结果

基坑开挖过程中，位移云图如图4 所示。

图4 基坑开挖位移云图

4 数值模拟与监测结果对比分析

4.1 桩体水平位移模拟结果与监测结果对比

桩体水平位移是一项非常重要的监测项目，直接反映了围护桩的变形和位移情况，对确保基坑安全有着至关重要的作用。本文选取监测时间连续、监测结果受影响较小的ZQT15 桩体水平位移的监测结果和模拟结果进行对比，对比结果如图5 所示。

由图5(a)可以看出，开挖深度较浅，监测值和模拟值都较小，变化趋势也基本相同;图5(b)中，开挖深度达到了6.6 m，模拟值略大于监测值，但变化趋势一致，在架设的第一道钢支撑处有一个较为明显的拐点;图5(c)中，开挖深度达到了11.1 m，监测值在深度6 m左右超过模拟值，在深度10 m左右达到最大值，二者变化趋势一致;图5(d)和图5(e)中，模拟值的变化较为稳定，变化幅度也不大，至开挖完成也没有超过报警值，但监测值随着开挖的进行位移增量越来越大，图5(e)中监测值已趋近40 mm，超过桩体水平位移报警值24 mm，由于是累计值报警，自报警后至底板浇筑完成之日一直处于报警状态，给施工造成了巨大影响。

分析监测值和模拟值的差异，主要是土体开挖到一定深度后，基坑内外土面高差不断增大，使得土体对桩体结构的压力不断增大，导致桩体结构的变形增大，如果土体开挖后，及时架设钢支撑，那么这种变形会及时得到有效控制，如果钢支撑架设滞后，那么变形还将继续发展，这也是基坑开挖的时空效应。

图5 ZQT15 桩体水平位移监测结果和模拟结果对比曲线图

4.2 钢支撑轴力模拟结果与监测结果对比

钢支撑作为基坑极为重要的支护结构，它的变形和受力直接关系着基坑的安全，因而钢支撑轴力的监测就显得极为重要。本文选取监测时间连续、监测结果受影响较小的ZL06－1 轴力的监测结果与模拟结果进行对比，如图6 所示。

由图6 可以看出:钢支撑轴力监测值和模拟值变化趋势基本一致，但监测结果大于模拟结果。轴力的最大值出现在第四次开挖完成时，此时监测值和模拟值的差值也达到了最大，约800 kN，相比于桩体水平位移，轴力监测更容易受气候影响，其中影响最大的是温度，夏日早晨和中午的监测值会相差很大;另一方面钢支撑架设如果滞后，桩体承受土压力增大引起的变形，传递给支撑结构，也导致了钢支撑轴力的增大。

4.3 基坑开挖对周围环境的影响

图6 ZL06－1 轴力监测结果和模拟结果对比曲线图

深基坑开挖施工会引起支护结构、周围岩土体以及周围环境的变形。本文通过模拟基坑支护结构桩体位移及支撑轴力的变化，反映了土体开挖过程中支护体系的变形规律。土体开挖，桩体受土压力增大而发生变形，应及时架设钢支撑，减少桩体的进一步变形，控制了支护结构的变形，就减少了周围岩土体的变形，继而对周围环境的影响则会相应减小，也进一步减少了对周围环境的影响，确保了周围环境的安全。

5 结 论

本文针对南京地铁三号线卡子门车站基坑工程，采用FLAC3D 对基坑开挖过程中的围护结构进行数值模拟，并结合设计计算结果、相关规范标准的规定值将模拟结果与实际监测结果进行对比，研究了FLAC3D数值模拟在南京地铁监测中的应用。主要结论如下:

(1)不论是桩体水平位移监测还是轴力监测，监测值和模拟值变化趋势基本一致，从一定意义上肯定了FLAC 数值模拟在基坑监测方面的可行性。

(2)监测值随着开挖的进行位移增量越来越大，第四次开挖超过了报警值，实际基坑处于安全状态。因此，可以参考基坑开挖前期的监测结果和数值模拟结果，并结合设计要求及相关规范进行综合预判，将后期的桩体水平位移累计量报警值从24 mm 提高到30 mm，既可以保证基坑的安全，又可以减少无效报警对施工造成的影响。

(3)轴力监测受气候影响，监测结果大于模拟结果，但从模拟结果及后期内支撑变形观测来看，内支撑处于安全状态。因此，参考基坑开挖前期的监测结果和模拟结果，可以将轴力报警值适当提高。

(4)通过分析对比，在深基坑施工过程中，将现场监测和数值模拟相结合，可以提供更加合理的基坑监测报警值，为深基坑施工提供更加科学的信息指导，并确保周边环境安全。

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