复杂环境下深基坑设计与变形监测分析

吴林韬

（广西基础勘察工程有限责任公司，广西 桂林 541001）

0 引言

在深基坑设计和施工过程中，变形监测是一个关键的环节，其目的是对基坑的变形情况进行实时监测和分析，保障工程安全[1-3]。该文以某城市地铁工程深基坑为案例，介绍了在复杂环境下深基坑设计与变形监测分析的过程和方法。在现有地铁站周围，建设地铁站是一个错综复杂的信息系统，建设危险性极高。为了保证建筑施工质量，不仅要尽可能减少对既有地铁站及其附属工程的影响，还要对距离较近的地铁站（如站间距离约10 m）进行合理评估，以保障施工过程深基坑力学性能的安全。所以，为了保障建设地铁站在建筑施工过程中的安全性和可靠性，有必要进行深入研究[3-5]。

尽管工程经验法可以提供一定的参考，但是它仍然存在主观性，无法精确地反应深地基在复杂多变建筑环境条件下的力学效果[6]，而数值模拟技术可以有效地解决现实中的基坑稳定性问题。是研究深基坑施工过程中力学特性的一种重要方法。基于某地铁换乘站深基坑工程，该文构建三维空间有限元数据模式，并综合现实测量数据，对相邻既有地铁进行分析，以期获得更准确的结果，优化深基坑设计。

1 工程概况

该地铁深基坑位于市区繁华商业区域，周围环境复杂，包括多种地质类型和地下设施。车站主体采用直接开挖支护施工方法。换乘站位于地下二层岛式车站，其中心里程处深约16 m，站台顶部覆盖约3 m 的土壤，车站主体结构总长度约227 m，总宽度约22 m（标准段），有效站台长140 m，宽13 m，采用双柱三跨构造，以满足乘客的出行需求。采取地下连续墙与内部支撑相结合的支撑形式，主围护结构的厚薄分别为1000 mm 和800 mm，其中前者位于既有车站的一侧，后者位于大里程端部，墙顶设置冠梁，保障构造的高度稳定和安全。水平支撑体系由钢筋混凝土和钢结构组成。

2 建立数值模型

该文旨在深入研究新建地铁车站深基坑支护结构在开挖和支护施工过程中的受力和变形特征，为此，结合工程设计和施工方案，建立三维有限元数值模型，以便更好地分析和预测其受力变形情况。

2.1 数值模型的基本假设

这座地铁站的深基坑是1 条长条形，靠近现有的地铁站。当基坑分段开挖时，施工现场的施工环境是多变的。由于缺少与现场施工土壤压实试验和既有站点主体构造有关的详细资料，为了更好地模拟实际情况，提高有限元分析和计算结果的效率，对建模和解析计算结果进行精简，并做出以下7 种假设：场地各土壤的界面保持水平，取各土壤的平均厚度。2）排除层间土的因素，保持土壤质量在相同深度范围内是均匀的并且不考虑实际土壤的空间不均匀性。3）假设在每次土方开挖建设前，地下水已降至土壤挖掘面下最少2 m，地下连续墙具有良好的止水效果，因此可以忽略基坑开挖期间地下水对现场的危害。4）不论基坑开挖前现场土壤的应力分布和变形如何，都可以通过采取相应预防来提高质量，以保证建设平安、高效、可靠。根据参考地质调查报告，可以获得该值。5）在基坑施工过程中，采用一次挖掘逐层建立数值模拟工作条件并且考虑到分段和分区挖掘对基坑的负面影响。6）地下连续墙的物理力学财产沿墙深不变，且与周围土层的摩擦接触系数不受水深的负面影响。7）不论机械、建筑材料的种类、数量、大小，都应该按照规定的标准进行建设，以保证工程质量。它们都按照20 kPa 的地面过载沿基坑边缘周围的20 m 范围均匀分布。

2.2 三维数值模型

研究表明，在地基挖掘和支护施工期间，其对周围环境的深度的影响通常是基坑开挖的4 倍，而宽度的影响则可能达到5 倍。为了更好地模拟实际情况，该文提出了一个450m×168m×52m 的综合模型，如图1 所示。

图1 数值模型

使用修正的Mohr-Coulomb 来构建模型，以仿真基坑开挖阶段中土体的工程特性。为了提高挡土体系的支撑能力，根据该地区深基坑工程建设的经验和该建设项目的岩土工程勘察研究报告，对现场各层的基本物理力学参数进行适当调整，以保证地基的安全性和稳定性。经过简化处理后，表1 显示了现场各土层厚度及其主要物理力学性能。此外，表2、表3 列出了新建车站的深地基挡土结构体系以及既有车站的主体结构板、柱的结构参数，以便更好地反映实际情况。

表1 土层的物理参数

表2 支撑结构的组成参数

表3 现有车站主体结构的组成参数

2.3 施工条件模拟

按照该工程施工方案，基坑内土方开挖面应位于每次架设的内支撑轴线以下，深度不低于0.5m，钢支撑轴线以下0.4 m，以便更好地模拟施工过程。主要施工条件见表4。

表4 深基坑开挖的模拟施工条件

3 数值模拟结果

X轴指向基坑的长度方向，Y轴指向基坑的宽度方向，两者均为水平方位；Z轴指向基坑的纵深的方向，垂直于上方位为正。

3.1 地下连续墙的水平位移

图2 展示了在各种计算条件下，地下连续墙在地基各个部位的高低位移变化情况。从图中可以清楚地看出，当基坑挖到最下部时，东端长边中段墙面的最大水平位移达到38mm，而北侧短边中段墙面的较大水平变形则达到20mm。在地基北端以东的断面附近，墙面的最大水平位移达到了25mm，而且这一位移量还超过了墙面顶部以下的2/3 处，这表明了墙面的稳定性和抗拉强度。

图2 地下连续墙的水平位移模拟曲线

经过分析，发现基坑北侧短边中部的地下连续墙变形最小，其次是东端附近的地下隔墙，而长边中部的地下隔墙变形最大，这应该是监测深基坑开挖过程中围护结构变形的关键区域。

3.2 内支撑轴向力

根据数值模拟提取的计算结果，选择基坑标准断面和基坑北端东侧断面，可以分析各支护轴向力随工况进展的变化。从数值模拟结果可以发现，基坑平面不同位置的第一支护轴向力有所减少。当基坑开挖至基底时，标准段水平直撑和北端水平斜撑的轴向力非常接近，约为100kN；北端垂直直撑，表明基坑端部空间效应更明显，有利于第一支护的受力；在基坑平面的每个位置处的第二和第三支撑件的轴向力随着工作条件的进展上下波动并最终稳定；基坑中最后一次土壤开挖导致第四个支护的轴向力显著增加。在设置第二和第四支撑后，上支撑的轴向力减少。例如在基坑的标准截面，第一个水平支撑的轴向力从-182.32kN 降至-155.12kN；第三个水平支撑的轴向力从-932.17kN 降至-732.17kN。在整个基坑开挖过程中，第二个支撑的轴向作用力最大。当基坑开挖至坑底时，最大值已达到-2413.22kN。因此，在施工过程中，应加强对基坑二次支护轴向力的监测，及时处理现场堆放，控制施工开挖进度。

经过数值模拟和计算，选择基坑标准断面和东侧断面作为基坑的北端，以保障安全。可以分析各支护轴向力随工况进展的变化。根据数值模拟结果，随着施工条件改善，第一支护轴向力显著减少，当基坑挖掘至基底时，标准段水平直撑和北端标准斜撑的轴向力超过100kN，表明基坑端部空间效应更加明显，有利于第一支护的受力；此外，第二支撑件和第三支撑件的轴向力也会随着条件的变化而变化，最终稳定；最后一次土壤挖掘会导致第四个支护的轴向力显著增加。总的来说，在设置第二和第四支撑后可以看出效果显著改善，上支撑的轴向力减少。在基坑的标准截面上，第一个水平支撑的轴向力显著降至-155.12kN；而第三个水平支撑的轴向力则有所下降，最终降至-732.17kN。在整个基坑开挖过程中，第二个支撑的轴向作用力最显著。当基坑挖到最深处时，其最大负荷已经达到-2413.22kN，因此，在施工过程中，必须采取有效措施来保障安全。应加强对基坑二次支护轴向力的监测，及时处理现场堆放，控制施工开挖进度。

3.3 数值模拟和测量值的比较分析

表5 为每个分析条件下的内部支撑的轴向力比较，当第一个支架在基坑中开挖和支撑时，模型计算值显示支架处于压缩状态，但实际上支架承受了72.12 kN 的张力；在随后的施工条件下，第一支撑件和第三支撑件的轴向力的实际测量值明显高于模拟计算值，而第二和第四支撑件的轴向力的实际测量值则低于模拟计算值。经过分析，发现在实际施工过程中支护力不仅受到基坑本身的开挖和卸载的影响，还受到施工荷载和周围环境的动态变化的影响。在数值模拟中，由于大面积逐层一次性开挖，基坑在第一次开挖后会面临复杂多变的施工环境，因此它会表现出与围护结构不同的应力和变形特征。

表5 每个分析条件下的内部支撑的轴向力比较

根据表格中的数据可以发现，三维模型计算出的基坑的周围最终地面沉降值大于实际情况。分析表明，这可能是由于模型施工条件与实际施工过程中复杂的基坑开挖和卸载方法不同所导致的。在基坑边缘13 m 处，最大的表面沉降量达到-10.3 mm，这一数值与沉降曲线的“凹槽”现象非常接近，表明该模型能够有效地模仿基坑施工过程中周围地表的下沉变化。

4 结论

通过三维有限元数值分析模型，对新建地铁换乘站深基坑开挖和支护施工流程进行仿真，研究了受力和变形特征，包括地底连续性墙的水平位移、内支撑的轴向力和周围地面沉降。经过数据分析，得出以下结果：①基坑在挖掘和施工，变形逐步发展为地基，每侧地底连续性墙的最高水平位移位于该侧的中部，这表明基坑施工流程中受力和变形特征发生了显著变化，需要采取相应对策来控制和减少变化，以保障施工安全。随着基坑的深入施工，地底连续性墙的厚度会逐步减少。②在整个开挖过程中，第二支撑的轴向力是较大的，因此应该加强对第二支撑轴向力的监测，及时处理现场堆载，以控制施工进度。③随着施工条件的改善，地表沉降的影响范围会扩展到周围环境，导致沉降值进一步增大。在所有综合分析条件下，结果表明，论断是正确的，基坑东侧开放区域现场表面的土壤都在下沉，当基坑开挖至基底时，其沉降在基坑短边呈现沟槽现象。④通过数值模拟分析和实际测量结果的对比，可以更加准确地反映基坑施工过程中的力学特性，从而更好地满足施工要求。然而，它仍然是有限的，因为它不能完全和实时地响应实际现场施工环境的动态变化。在实际施工过程中，这类基坑应分层分段开挖。