地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟

地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟

樊鑫尚

中铁城市发展投资集团有限公司四川成都610000

摘要：以南昌地铁艾溪湖东站深基坑工程为研究对象，对现场施工过程的监控量测数据进行分析，重点研究深基坑施工过程中围护结构的水平变形随基坑开挖深度和时间的变化规律，并对工程受地下水的影响效应作简明陈述。同时，利用ABAQUS对第二施工区段建立三维有限元计算模型，对车站深基坑的施工过程进行模拟，对比分析围护结构变形的计算结果与监测结果，最终证明在南昌富水地质条件下地铁车站深基坑施工所设计采用的围护结构是安全合理的，围护桩与支撑组合结构能有效地控制地铁深基坑施工过程中土体变形。

关键词：基坑工程；关键词：地铁车站；深基坑；围护结构；监控量测；数值模拟

导言

随着经济的高速发展和城市地面交通压力的日益加剧，地铁建设成为地下空间开发和利用的重要手段。地铁车站深基坑工程作为地铁项目的一个重要组成部分，正向规模更大、深度更深的方向发展，随之暴露出基坑开挖和支护的新问题已然成为土木工程的热点和难点问题。地下工程在施工过程中势必迫使周边土体的地应力进行重新分布，导致对既有地下结构和地表建（构）筑物的威胁，影响地下与地表结构的正常使用功能，因此，尽可能地减小这种影响是地铁深基坑工程的又一重要课题。

1工程实例

1.1工程概况

南昌地铁艾溪湖东站位于创新一路与紫阳大道交叉路口处，沿紫阳大道铺设，呈EW走向，该工程具有规模大、工艺多、工期紧、地面交通流量大、地下水丰富、地下管线和周边建（构）筑物密集等特点，施工难度大，对施工工艺的选取和围护结构形式及其参数的设计要求较高。

1.2工程地质条件

南昌市规划区内分布的地层有前震旦系、白垩系、第三系、第四系以及晋宁期、喜山期岩浆岩等，其中以第四系出露范围最为广泛。各时期冲积层从上往下，颗粒组成粒度均具有由细变粗的“二元”结构，即上部为黏性土，下部为砂、砾、卵石等。工程场区大地构造隶属我国东部华南扬子准地台南缘，紧邻华南加里东褶皱带，地质构造复杂，断裂较发育。本站围护结构钻孔桩主要穿越地层自上而下依次是：2素填土，厚度为0.5～4.2m；1粉质黏土，厚度为3.5～7.7m；2细砂，厚度为2.0～7.0m；3中砂，厚度为1.0～4.2m；4粗砂，厚度为1.0～6.0m；5砾砂，厚度为2.5～8.6m；6圆砾，厚度为6.9～13.0m。基坑底部位于5砾砂层中。

1.3水文地质条件

南昌市地表水系发育，年降雨量分配不均，每年4～6月降雨量较集中，降水量占全年总量的51%，为丰水期；10月至翌年2月为少雨季节，降水量仅占全年总量的12.8%，为枯水期。枯水期地下水位埋深16.15～18.90m，水位标高3.14～4.51m，根据环境监测总站的区内地下水监测资料，该段水位年变化幅度为1～3m。艾溪湖东站水位与车站结构基底基本相平。根据地下水含水空间介质和水理、水动力特征及赋存条件，艾溪湖东站沿线按地下水类型可分为上层滞水、松散岩类孔隙水、红色碎屑岩类裂隙溶隙水3种类型。

2车站围护结构设计与监测方案

2.1车站主体及围护结构概况

该车站标准段为地下两层两跨结构（局部为双柱三跨），端头出入线段为三柱四跨结构。车站有效站台中心里程为SK24+321.200，地面标高21.8m，主体结构顶板覆土厚度3.0m，车站主体结构基坑总长364.066m（含端墙结构厚度）。车站标准段基坑宽19.0m，东端头基坑最大宽度约39m，标准段基坑深约16.11m，盾构加深段基坑深17.61m。以1000mm钻孔灌注桩（辅以搅拌桩和网喷混凝土）作为车站主体的围护结构；采用钢筋混凝土支撑（截面宽×高分别为800mm×1000mm和600mm×800mm）和钢管支撑609mm（壁厚t=16mm）作为支护结构的内撑。

2.2监测项目及方法

根据该基坑工程明挖顺作法的具体情况。监测频率为开挖过程中1d/次，回筑过程为2d/次。

2.3实测数据分析

桩体水平位移是控制围护结构安全的重要指标，最能反映基坑围护结构的变形情况。本文选取典型土体的测斜结果，绘制水平位移随时间及深度的变化曲线，得到围护桩支护剖面位移曲线。

3有限元计算模拟与分析

3.1数值计算模型

选取南昌地铁艾溪湖东站深基坑工程的第二施工区段作为研究对象，该区段标准断面宽21m，深16.5m，围护桩长23.6m。钢筋混凝土支撑（支撑1）设在冠梁位置（距基坑顶面1.5m），在冠梁下5.4和10.9m处分别布设第1道钢支撑（支撑2，预加轴力550kN）和第2道钢支撑（支撑3，预加轴力500kN）。利用大型有限元分析软件ABAQUS对该研究对象进行三维数值计算分析，计算模型尺寸为240m×60m×50m（X×Y×Z），依据详勘地质资料和土体模型进行概化分层，其中素填土层厚4.0m，粉质黏土层厚8.0m，细砂层厚7.0m，中砂层厚4.0m，粗砂层厚6.0m，砾砂层厚8.0m，圆砾层厚13.0m，计算参数根据表1进行选取，土体采用实体单元C3D8R。围护桩选用梁单元B31进行简化替代，其材料参数参照相关数值模拟经验以强度等级为C30的混凝土和1000mm（壁厚t=16mm）钢桶的物理力学参数近似定义，取弹性模量E=20GPa，泊松比ν=0.20，重度=25kN/m3；以梁单元B31模拟钢筋混凝土支撑（材料参数：弹性模量E=25GPa，泊松比ν=0.20）；以线弹性杆单元T3D2近似模拟钢支撑（材料参数：弹性模量E=200GPa，泊松比ν=0.26）。

3.2计算与监测结果对比分析

根据现场施工过程，基坑开挖数值模拟的分析步如表3所示；选取关键施工阶段围护桩测斜的计算结果与监测结果。分析数值计算结果可知，施作支撑1后，桩顶向基坑内侧最大位移5.23mm；随桩体埋深增加，桩体向坑内变化趋于缓和，至24m桩底处水平位移仅为1.33mm。施作支撑2后，桩身水平位移继续变大，最大位移出现在桩顶（支撑1上部桩体为悬臂结构，受土体侧压力影响较大），达13.91mm，与监测值13.89mm十分接近。施作第2道钢支撑后，虽然桩体位移仍向坑内位移增大，但受支撑2，3预加轴力影响，从桩顶到桩底位移变化平缓。对比分析计算值与实测值可知，工程实际中在桩体埋深15m处的最大位移为19.51mm，而在埋深24m的桩底，桩体向基坑外偏移0.63mm。施工初期阶段，桩体的位移变化曲线呈摆动型，分析其原因是围护结构不稳定，未形成整体的支护体系所致。支撑施作前，桩顶向基坑内偏移最大。支撑2的施作明显地改善了围护结构的受力，使桩体的水平位移变化速率显著降低。支撑3完成以后，围护桩的受力更加合理，其变形曲线由摆动型变为了弓形，有效保证了基坑的整体稳定。

结束语

施工过程中，时刻注意水位的监测数据。既防止水位过高影响施工，又要合理控制降水，以免因降水幅度过大导致孔隙水压力过低或大量水的流失，造成土体的沉降过大或不均匀。对现场监控实测数据分析可知，施工过程中围护结构的控制变形值满足设计要求，表明该基坑工程依设计施工安全合理。数值计算表明，随开挖深度的增加，开挖至坑底后围护桩下端产生塑性破坏区，分析其原因是砂土层液化所致，通过注浆和锚杆进行辅助加固，可保工程的顺利进行。通过对该基坑工程进行数值模拟分析，对比计算结果与实测数据的变化趋势大致相当可知，对实体工程参数的计算选取及等效替代是合理的，数值计算手段可为基坑工程提供相应的理论数据并指导设计。

参考文献

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