深基坑开挖变形监测及数值计算分析

柴海博

(中铁十七局集团有限公司 山西太原 030006)

1 引言

栾长青[3]以上海轨道交通9号线宜山路车站降水施工为依托，在现场降水试验的基础上，结合高压固结试验和Plaxis 3D Foundation软件研究了基坑降水开挖对周边土体工程性状的影响。程子龙[4]以太原地铁2号线中心街站为研究对象，通过野外抽水试验及室内土工试验获取了各地层参数及渗透性，并运用FLAC3D分析了不同工况下地层的水平位移与地表的沉降。游洋[5]等将基坑分区进行降水设计来研究对周边环境的影响，制定不同的方案并采用数值计算方法验证了方案的可行性。吴薪柳[6]采用数值计算评估了复杂基坑开挖对既有地铁结构安全性的影响。结果显示，随着基坑降水开挖的进行，坑底土体会出现回弹，在坑外地表出现沉降。邱玉[7]等在比较现场实测值和分析计算结果的基础上，提出了坑周土体沉降是由基坑降水后土体应力重分布所导致。黄显贵[8]等通过数值计算和现场实测数据验证了地表沉降的理论计算方法。方浩[9]等通过研究指出了围护墙最大侧向位移发生位置和地表沉降影响范围。唐洪亮[10]等通过模型试验和数值模拟，探讨了膨胀土地层开挖过程中基坑变形规律。吴昌将[11]等以现场实测数据研究了软土地区基坑变形性状及对周边建筑的影响。杨果林[12]等借助现场监测和数值模拟，研究了渗流-应力耦合条件下泥炭土深基坑的开挖变形规律。靳国柱[13]通过现场监测总结分析了软土地区地铁车站深基坑开挖一般受力变形规律。孙超[14]等通过理论计算与实际监测结果的对比，探究了基坑围护结构和周边建筑物等的变形规律。

本文根据某地铁车站深基坑工程开挖时的现场监测数据，并结合数值计算，对深基坑变形问题进行深入研究，总结了各监测项目的变形发展规律。

2 工程概况及地质条件

(1)工程概况

拟建车站开挖基坑长239 m，宽20.6～34.8 m，深度16.85～18.4 m，采用800 mm厚、39 m深的地下连续墙作为主体围护结构，共设5道内支撑，基坑中部设置φ1 000立柱桩11根。基坑支护结构具体形式如图1所示。

图1 基坑支护结构横剖面(单位：mm)

(2)工程地质条件

根据勘察资料，开挖范围内主要为含水量高、渗透性好的粉土和砂性土。

各主要土层分布及物理力学特性指标见表1。

表1 土的物理力学性能指标

3 基坑监测

3.1 监测内容及测点布置

本工程所涉及的监测项目众多，本文仅选取立柱桩沉降、围护墙体深层水平位移和周边地表沉降作为研究对象，其监测点布置具体情况见表2。

2）要素描述修改的有29个 ：大地原点、三角点、卫星定位等级点、地面河流、运河、倒虹吸、海岛、制水坝、单幢房屋、普通房屋—建筑中房屋、架空房、廊房、管道井（油、气）、北回归线标志塔、清真寺、卫星地面站、栅栏、篱笆、地铁、轻轨、引道、路标、里程碑、火车渡、汽车渡、人渡、泥石流、熔岩流、岸垄、盐碱地。

表2 监测工作布置

3.2 监测项目控制值

监控项目控制指标一般由累计变化值和变化速率两个量控制。根据围护设计说明，本工程监测控制值见表3。

表3 监测项目控制值

3.3 监测数据分析

(1)立柱桩沉降

随着基坑开挖卸荷，坑下土体会产生一定回弹量，土体变形较难监测，故通过监测基坑内立柱桩的隆沉情况来实现。由图2可知，随着基坑开挖，立柱桩沉降会逐渐增大，且在第四道支撑施工前其增速较快，保持较陡的直线型，累计变形量达到设计控制值的50% ～60%；此后，变化幅度趋缓，在底板浇筑时立柱桩沉降值基本达到峰值，为17～19 mm，均未超过其设计控制值25 mm的80%，说明底板浇筑很好地抑制了基底隆起的发展趋势。另外，通过图2中3根立柱桩Lz9、Lz10、Lz11沉降量可以看出，基坑内各立柱桩的沉降量差异不大，说明基坑开挖过程各段均为对称均匀卸载，满足设计及施工要求。

图2 立柱桩沉降-开挖时间关系曲线

(2)墙体深层水平位移

由图3可知，坑内卸载会导致地连墙在基坑外侧土压力作用下发生朝向临空面的水平位移。由于坑内第一道内支撑为刚度大、变形小的钢筋混凝土支撑，其强度的安全、可靠性强，能有效限制墙体上部的变形；而墙体下部的入土深度较大，坑下土体产生的侧向土压力可以减弱墙后主动土压力作用，故墙体的深层水平位移会沿其深度方向呈先增大后减小的“弓”型曲线，且其最大值总是出现在开挖面附近。另外，随着基坑开挖，墙体各部位的水平位移会逐渐增大，直至底板施工后达到稳定，最大值接近50 mm，超过其控制值。位移增长最快的阶段为第三层土开挖期间，水平位移最大值增长了约20 mm。主要原因为在基坑开挖过程中，钢支撑架设不及时，导致不能形成有效的内部支护结构，且存在一定的超挖现象。所以在后续施工中应对基坑分层、分块施工，防止超挖，及时施加内支撑。此外，当位移变化较大时应加强监测。

图3 墙体深层水平位移变化曲线

(3)地表沉降

由图4可知，基坑卸荷开挖使地连墙发生朝向坑内的水平位移，从而引起周边地表沉降。随着开挖的进行，沉降量也逐渐增大，直至底板浇筑后趋于稳定。最大值8.31 mm为设计控制值16.5 mm的50%，说明该基坑支护形式能有效降低开挖对周边环境的影响。另外，对比位于同一断面上的地表沉降监测点 D11-1、D11-2、D11-3、D11-4，可以看出，随着监测点与基坑距离的增大，其沉降量值在逐渐减小，这也与基坑开挖影响分区的理论相对应；对比D11-1、D12-1、D13-1，当各断面上的监测点与基坑之间距离相同时，其相应阶段的沉降量值基本一致。

图4 地表沉降与开挖时间关系曲线

4 基坑开挖过程数值模拟分析

4.1 模型简介

根据基坑实际情况，采用MIDAS建立三维基坑模型，综合模型的计算效率及其边界效应，尺寸设置为400 m×184 m×80 m，采用了更加符合实际的混合网格生成器，并通过析取功能在地连墙外围设置了一圈截水帷幕，使模型更贴近于施工实际。所建立的计算模型见图5。

4.2 本构模型选取

综合考虑岩土体材料的非线弹性和塑性，选用修正的摩尔-库伦弹塑性本构。该本构模型尤其适用于本工程中砂土类等具有摩擦特性的材料。

图5 有限元模型

4.3 基坑开挖工况设置

按照施工顺序，可将基坑开挖分为以下7个阶段:

工况一:施工地连墙和立柱桩；

工况二:开挖基坑表层土，施工冠梁和砼支撑；

工况三:降水至第二层土下1 m，挖第二层土，加第二道钢支撑；

工况四:降水至第三层土下1 m，挖第三层土，加第三道钢支撑；

工况五:降水至第四层土下1 m，挖第四层土，加第四道钢支撑；

工况六:降水至第五层土下1 m，挖第五层土，加第五道钢支撑；

工况七:降水至基坑设计开挖深度下1 m，开挖至基坑底部。

4.4 数值计算与实测结果对比

(1)立柱桩沉降

如图6所示，立柱桩沉降的数值计算值和现场监测值在各施工阶段的变化趋势基本一致，均为前期增长较快，在工况四之后增速减缓，在开挖完成后趋于稳定，两者的终值也较接近。计算值在施工前期略小于实测值，主要原因为在模拟过程中位于基坑内的支撑施加及时，能有效控制基坑变形。数值计算的稳定终值在19～22 mm，同样小于设计控制值25 mm，表明数值模拟计算满足坑底变形要求。

图6 立柱桩沉降实测值与计算值对比

(2)墙体深层水平位移

由图7可知，基坑开挖后，地连墙两侧呈现对称的朝向基坑方向的水平位移，水平位移从上向下表现为先增大后减小的变化趋势。模拟计算中墙体深层水平位移在各工况下的发展趋势与实际监测值类似，均为随开挖的进行而增大，位移最大值出现的位置也保持在开挖面附近，具体位置见表4。

图7 墙体深层水平位移计算值

表4 各工况下最大值统计

对比图7和图3，在各开挖阶段，墙体深层水平位移的计算值均明显小于实际监测值，且开挖完成后的最大值15.8 mm，明显小于设计控制值23 mm，基坑开挖变形处于可控状态。这是因为在数值模拟中，内支撑是在对应土层开挖完成的瞬时施加上去的，忽略了实际施工中内支撑的施工时间，减小了基坑处于无支护状态的时间，是较为理想的施工状态，故所计算得到的变形值较小，这也说明在施工中及时施加内支撑可以有效控制地连墙的水平变形。

(3)地表沉降

如图8所示，地表沉降曲线呈现有规律的“凹”槽型。随着基坑开挖，沉降“凹”槽向下发展，且位移最大值出现的位置会逐渐远离基坑。工况一中，最大沉降为-2.59 mm，距基坑距离为7.2 m；工况七中，最大沉降为-15.28 mm，距基坑边24 m。基坑开挖完成时，最大沉降值出现的位置小于基坑开挖深度的两倍，这也符合基坑开挖影响分区理论。另外，地表沉降最大值-15.28 mm小于设计控制值±16.9 mm，表明基坑开挖对周边环境的影响较小。

图8 地表沉降曲线

5 结论

通过对比分析基坑变形的监测值和数值计算结果，可以得出以下结论:

(1)通过坑内立柱桩隆起来监测坑底土体变形，其监测值和计算值都表现为在工况四之前增长较快，之后增速减缓，在基坑开挖完成时基本达到峰值。在各个阶段中，两者差值不大，且都小于设计控制值。

(2)沿墙体深度方向，墙体深层水平位移表现为先增后减的“弓”型曲线。随着基坑开挖，“弓”型向坑内发展，其最大水平位移出现的位置随开挖面下移。计算值较实际监测值更满足设计要求，主要原因为模拟计算中内支撑施加及时。

(3)随着基坑开挖，地表沉降“凹”槽向下发展，且最大沉降值向远离基坑的方向移动，最终保持在两倍的基坑开挖深度范围内。