地铁车站深基坑变形监测及FLAC3D模拟研究

肖 海（湖南省第二测绘院，湖南长沙410119）

地铁车站深基坑变形监测及FLAC3D模拟研究

肖 海（湖南省第二测绘院，湖南长沙410119）

地铁车站深基坑工程是地铁修建过程中的关键工程，由于深基坑工程系统复杂，为避免工程事故的发生，基坑监测工作显得尤为重要。本文从深基坑的变形机理出发，介绍了深基坑工程的特点、开挖变形机理，以及影响基坑变形的因素，并以长沙市地铁车站深基坑变形监测为例，进行了深基坑变形监测及基于FLAC3D的模拟研究，以期为相关工程建设提供参考依据。

地铁车站；深基坑；变形监测；模拟

1 引言

随着社会经济的高速发展，城市地铁建造正蓬勃发展。地铁深基坑深埋于地下，其环境因素复杂，基坑工程本身的安全与稳定存在威胁；且因土方开挖可能引起周围地层移动而危及相邻建筑物、地下管线及市政设施。为避免基坑系统设计施工中的事故发生，对深基坑的监测工作显得尤为重要。

2 深基坑工程特点

2.1 施工风险大

在施工过程中，基坑工程通常为临时性措施，因而在基坑工程设计计算时，其围护体系中不必考虑地震等荷载。基坑工程具有低强度、小变形、低防渗、耐久性不长等特点，对安全储备的要求较低；对利润追求的最大化又可能导致投资不足，设计不合理，实际的安全储备可能更小[1]。

2.2 制约因素多

工程当地的自然条件会对基坑工程产生巨大影响。在基坑工程的设计与施工过程中，必须全面掌握工程所处的自然地理、气候气象、水文、工程地质，弄清周围自然环境与基坑开挖之间的关系及相互作用[1]。此外，基坑工程围护结构体系还受到相邻的建筑物、地下构筑物、地下管线等因素制约，这些因素甚至会成为基坑工程成败与否的关键。

2.3 计算理论不完善

作为地下工程的基坑工程，作用在基坑围护结构上的土压力，既与桩体的水平位移大小、方向有关，也与受力持续时间有关。目前，对基坑围护结构上的土压力进行设计与计算时，往往采用经验取值，或应用朗肯土压力理论、库仑土压力理论，再根据工程实际进行经验修正。目前有关土压力的理论还亟待完善，尤其是在地下水水位高时的工况条件下，各地制定的技术规程或规范还没有统一[2]。

2.4 环境效应复杂

基坑工程的开挖与建设，势必会改变基坑周围地基中地下水的水位和应力场，引起周围地基土体的失稳与变形，直接影响临近建筑物、地下构筑物和地下管线等工程设施[2]。工程施工过程中产生的粉尘、噪音、泥浆、渣土等也会对周围环境产生影响，因此必须考虑基坑工程的环境效应[3]。

2.5 知识经验要求高

基坑工程集岩土工程与结构工程于一体，基坑工程的设计和施工紧密相连，这就要求所有从业人员须同时具备施工和设计方面的理论知识，需要设计施工人员具有丰富的现场实践经验。

3 基坑开挖变形机理

基坑围护结构和基坑土体失稳变形的原因一般有两种：

（1）基坑开挖过程中，土体自身的重力在不断发生变化，使原有的应力平衡状态在土中的渗流力或邻近打桩施工扰力等外界力作用下遭到破坏[3]。

（2）土的抗剪强度受控于气候等外界因素影响，这些外界因素会导致土的原有内在结构被改变，造成土的抗剪强度降低。各种人类活动的干扰，也促使土体原有的力学平衡被打破，从而引起基坑围护墙体的水平或竖向变形、基坑底部隆沉、以及基坑周围地表、建筑物及附属设施的沉降等变形现象[4]。

4 影响基坑变形的因素

按照属性的不同，影响基坑变形的因素可分为三大类[5]：

第一类——固有因素。即现场的水文地质条件及周边的环境条件，如土体的强度、地下水位、坑边构筑物、高层建筑和超载等。

第二类——与设计相关的因素。即围护结构的特征、开挖尺寸、支撑预应力、地基加固设计，如墙体刚度、支撑刚度、插入深度、基坑尺寸、支撑预应力大小以及地基加固方法等。

第三类——与施工相关的因素。即施工方法、施工周期及施工人员水平等。

5 工程应用及分析

5.1 工程概况

本研究选取长沙市地铁1号线南门口站作为监测对象。南门口站址位于城南路与黄兴南路交叉口，所在地段是长沙市最为繁华的商业区域。南门口站为地下二层岛式站台车站，总长168.72m，标准段外包宽20.2m，车站四个象限共设有4个出入口、2组共8个风亭。主体结构顶板覆土厚度为3.10～4.26m，车站中心里程处顶板覆土厚度约3.2m，底板埋深约17.3m，车站采用明挖法、局部采用盖挖法施工。车站主体结构采用钢筋混凝土箱型结构，围护结构采用800mm厚地下连续墙，车站主体设全外包防水层。

5.2 监测内容

结合现场实际情况，监控量测由两部分组成，即：基坑内部监测和周围环境监测（见表1）。其主要目的是掌握车站基坑在施工过程中基坑及周围环境的变形。

表1 施工监测项目及精度要求

5.3 FLAC3D深基坑开挖模拟5.3.1基本假设

结合基坑实际施工情况，作以下假设：

（1）模拟区域土体为各向同性且均匀的弹塑性体；

（2）开挖前不考虑土体的应力和性状，此时土体在自重状态下呈固结状态；

（3）模拟过程中不考虑降水及渗流，不考虑地表附加荷载影响。

5.3.2 网格划分及边界条件

研究选取南门口站扩大端和标准段的一段基坑作为仿真对象，模拟范围为90m×60m×44m的区域，共划分网格单元54530个，共计59640个网格节点。模型前后边界施加x方向的水平约束，左右边界施加y方向的水平约束，底面施加z方向的竖向约束。

5.3.3 参数选取与计算阶段

根据计算区域内土体的物理力学性质，将部分性质相近的土体合并，因而模拟区域土体被划分为四类，即杂填土、粉质粘土、卵石及泥岩（见表2）。参考岩土工程勘察报告及长沙地区规范及当地工程经验可得：各层土体的力学计算参数如表2所示，地下连续墙以及钢支撑等围护结构的计算参数如表3所示。

表2 各土体物理力学计算参数

表3 围护结构物理力学参数

5.3.4 模拟结果及分析

（1）围护结构应力分析

本研究通过FLAC3D软件模拟了四个施工阶段，即阶段1——基坑开挖2m，阶段2——基坑开挖8m，阶段3——基坑开挖12m，阶段4——基坑开挖至设计深度。

图1～2分别为各阶段条件下连续墙最大、最小主应力分布图。从图1可见：基坑开挖与支撑交替进行，围护结构自身所受到的作用力在方向和大小上不断变化，连续墙最大主应力都出现在基坑工程的底部。基坑开挖阶段1，围护结构所受到的最大压应力为0.34MPa，开挖至最底部后最大压应力为1.6MPa；应力集中于基坑两侧，且基坑角部附近应力集中最为显著，说明基坑两边以及角部附近的空间作用最强（如图1所示）。

图1 各阶段条件下连续墙最大主应力分布图（单位：MPa）

从图2可见：基坑开挖至最底部后，围护结构所受到的最大拉应力出现在基坑围护结构底部，其值约为0.35MPa。基坑开挖过程中，围护结构受力状态不断发生变化，基坑开挖阶段1，围护结构端部基坑外侧由于没有预先施加支撑而受拉，仍处于软弱土层的基坑底部内侧则受拉，且以开挖面为界，开挖面以上基坑以内侧受拉为主，开挖面以下基坑以外侧受拉为主（如图2所示）。

图2 各阶段条件下连续墙最小主应力分布图（单位：MPa）

（2）钢支撑轴力分析

通过仿真得到钢支撑轴力的模拟结果，将其与对应实测资料进行比较得知：基坑扩大端与标准端两处的钢支撑轴力模拟结果与实测资料较接近，两者的变化趋势大致吻合，即钢支撑轴力随着基坑开挖深度的增加而不断增大 （见表4～5），其中个别差异较大。这是因为仿真模型中用梁单元与连续墙共节点之间的连接作用来突显支撑结构，而现实工程中圆钢管支撑与桩的相互作用是存在一定差异的，实际施工过程中支撑结构会随着时间的延长而应力发生松弛与损耗，且实测时没有考虑温度的影响。无论是实测资料还是模拟结果，都能发现：基坑开挖整个过程中，扩大端和标准端两处的钢支撑轴力均未发生明显突变，由此表明基坑开挖过程始终处于安全可控的状态。

表4 钢支撑轴力实测值与模拟值的对比（扩大端）

表5 钢支撑轴力实测值与模拟值的对比（标准端）

（3）围护桩桩身位移分析

图3是仿真模拟得到的围护结构水平位移图。从图3上可以看出：基坑开挖整个过程中，靠近开挖面处的围护桩桩身水平位移最大，并向基坑外侧变形，其值由最初的0.8mm，逐渐增大至10mm（如图3所示）。

图3 围护结构水平位移图

6 结论

本文从深基坑的变形机理出发，介绍深基坑工程的特点、开挖变形机理以及影响基坑变形的因素，通过研究得到：

（1）基坑边坡的位移趋势和支护结构的变形特性直接由围护桩的桩体水平位移值反映，这是评价围护结构安全状况的重要指标，且实测值均小于设计容许值，表明工程安全。

（2）深基坑在开挖过程中，支护结构由于两侧承受不同的土压力而产生水平位移。

（3）围护桩变形最大的位置位于基坑开挖部分的中下部，而不在基坑顶部。由于钢支撑的作用，对围护桩的水平位移起到了重要的限制作用。围护桩变形呈现出较强的空间效应，基坑中部的围护结构水平位移最大，越靠近基坑的角点，围护结构的水平位移越小。

[1]陈忠汉，黄书秩，程丽萍.深基坑工程（第二版）[M].机械工业出版社，1999.

[2]龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1998.

[3]孙 凯，许振刚，刘庭金，等.深基坑的施工监测及其数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（2）：293～298.

[4]任建喜，高立新，刘 杰，等.深基坑变形规律现场监测[J].西安科技大学学报，2008，28（3）：445～449.

[5]任建喜，冯晓光，刘 慧，等.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，2009，3：89～92.

TU433

A

2095-2066（2016）24-0039-03

2016-7-1

肖 海（1981-），男，工程师，本科，主要从事国土资源调查、工程测量、不动产测量、地理信息数据处理等方面的工作。