陳 偉

[英泰克工程顧問（上海）有限公司， 上海 200120]

0 引 言

隨著城市化步伐的加快，交通擁堵現(xiàn)象越發(fā)突出，地鐵作為城市高效的交通工具越來越受到人們的青睞。地鐵建設(shè)必然涉及深基坑開挖，其基坑開挖深度一般大于 10 m，因而深基坑在開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性便成為工程人員關(guān)注的焦點(diǎn)。眾所周知，深基坑變形大，尤其在軟土地區(qū)，高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度特性會(huì)使基坑在開挖過程中造成更大的變形[1]，極易引發(fā)嚴(yán)重的工程事故。例如，2008 年杭州地鐵湘湖站的基坑坍塌事故致使 21人死亡，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 4 961 萬元[2]。由此可見，將現(xiàn)場監(jiān)測成果[3]與數(shù)值模擬[4]分析相結(jié)合，來有效控制基坑變形，是現(xiàn)代信息化設(shè)計(jì)和施工的一大方向，而有限元軟件也成為基坑開挖相關(guān)問題研究的強(qiáng)有力的工具[5]。

本文以南京地鐵 5 號(hào)線下關(guān)站深基坑工程為例，借助現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并結(jié)合有限元分析法，對(duì)正在施工的基坑安全進(jìn)行分析，起到了較好的效果，對(duì)下一步指導(dǎo)基坑安全施工和類似基坑工程設(shè)計(jì)和施工起到了一定的借鑒作用。

1 工程概況

1.1 車站概況

南京地鐵 5 號(hào)線下關(guān)站為 5 號(hào)線和 9 號(hào)線換乘站，位于江蘇省南京市中山北路與熱河南路交叉口。該車站為 13 m島式站臺(tái)，2 層地下室，車站標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度為 22.65 m～22.72 m，車站主體結(jié)構(gòu)外包總長為 336.6 m。車站頂板覆土 2.87 m～4.42 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深 17.2 m～18.1 m，端頭井底板埋深 19.2 m～19.4 m，換乘段埋深 25.9 m。車站主體為地下 2 層 3 跨矩形框架結(jié)構(gòu)，采用明挖順做法施工（局部采用蓋挖）。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建車站地貌類型屬長江江漫灘平原區(qū)，地勢較平坦。地面高程 7.5 m～10.0 m，現(xiàn)場地為道路。場區(qū)表層普遍分布人工填土，厚度變化較大，以雜填土、素填土為主。上覆土層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和粉砂為主，下伏基巖為白堊系浦口組泥質(zhì)粉砂巖。距離場區(qū)較近的地表水體為長江，距離場區(qū)西側(cè)約 700 m，對(duì)本項(xiàng)目影響不大。場區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水，松散巖類孔隙水有孔隙潛水及孔隙承壓水。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，主要物理力學(xué)指標(biāo)如表 1 所示。

表 1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

1.3 西端頭圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車站主體基坑選用地下連續(xù)墻（以下簡稱“地連墻”）+水平內(nèi)支撐支護(hù)體系。西端頭圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用 800 mm 厚的地連墻，第一道設(shè)置混凝土支撐，其余 3 道均為 Φ609×16鋼支撐和一道換撐，混凝土下方設(shè)中間臨時(shí)立柱。

2 二維有限元模型建立

本文采用商業(yè)有限元分析軟件 MIDAS/GTS NX 建立基坑模型，結(jié)合車站基坑形狀建立幾何圖形并導(dǎo)入 MIDAS/GTS NX，輸入表 1 中提供的物理力學(xué)參數(shù)；然后對(duì)每一區(qū)塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，吸取結(jié)構(gòu)單元，賦予其力學(xué)屬性；接著定義邊界條件和約束；最后按照實(shí)際的施工步驟對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。在本模型中，土體采用常用的摩爾-庫倫模型，地連墻、內(nèi)支撐和立柱采用符合其受力特性的梁單元模擬。

3 基坑開挖監(jiān)控內(nèi)容分析

3.1 監(jiān)控內(nèi)容分析

現(xiàn)場西端頭開挖深度達(dá)到 6 m～7 m，已架設(shè)完成第二道支撐，結(jié)合各監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析深層土體水平位移和墻頂豎向沉降情況。

3.1.1 深層水平位移

深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)預(yù)先埋設(shè)在車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，按設(shè)計(jì)提供的監(jiān)測圖斷面沿基坑周邊每隔 20 m 左右布設(shè)一根測斜管，測斜管埋設(shè)深度為圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度的 1.5 倍。現(xiàn)場共計(jì) 15 根測斜管，分別設(shè)為 ZQT01－ZQT08、ZQT26－ZQT32，使用測斜儀采集各深度處的水平位移。具體計(jì)算公式為

式中：ΔXi表示i深度的累計(jì)位移；Xi表示i深度的本次坐標(biāo)；Xi0表示i深度的初始坐標(biāo)；Aj表示儀器在 0° 方向上的讀數(shù)；Bj表示儀器在 180° 方向上的讀數(shù)；C表示探頭標(biāo)定系數(shù)；L表示探頭長；θj為傾角。

3.1.2 墻頂豎向沉降

墻頂豎向沉降應(yīng)沿其結(jié)構(gòu)體延伸方向布設(shè)，監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)位置和數(shù)量按照設(shè)計(jì)要求布設(shè)，將監(jiān)測點(diǎn)采用電鉆鉆孔方式布設(shè)“I”型標(biāo)志點(diǎn)于支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，觀測時(shí)將水準(zhǔn)尺直接放置于“I”型標(biāo)志點(diǎn)頂部。本項(xiàng)目共布設(shè) 15 個(gè)測點(diǎn)，分別設(shè)為 ZQC01～ZQC08、ZQC26～ZQC32，從基準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)，采集各監(jiān)測點(diǎn)的高程，確定出墻頂沉降量。在首次觀測前，必須連續(xù)測 3 次，取平均值作為各測點(diǎn)的初始高程。

3.2 監(jiān)控預(yù)警分析

在施工過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)一旦達(dá)到預(yù)警指標(biāo)應(yīng)及時(shí)發(fā)布預(yù)警通知并采取相應(yīng)措施。依據(jù) DGJ32/J 195－2015《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》要求，監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表 2 所示。

表 2 監(jiān)測預(yù)警分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.3 基坑開挖工況分析

本項(xiàng)目支護(hù)形式采用地連墻+水平內(nèi)支撐體系。開挖期間，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求和現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋合理安排監(jiān)測頻率，確?；娱_挖安全進(jìn)行，具體施工工況如下所述。

（1）施工工況一：地連墻施工、預(yù)埋測斜管及依照監(jiān)測方案布設(shè)各監(jiān)測點(diǎn)等前期工序。

（2）施工工況二：基坑內(nèi)布設(shè)疏干井，將地下水降至開挖面以下 1 m。當(dāng)基坑開挖至第一道支撐時(shí)，架設(shè)第一道鋼筋混凝土支撐并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）施工工況三：當(dāng)開挖至第二、第三、第四道支撐標(biāo)高時(shí)，及時(shí)架設(shè)鋼支并施加預(yù)應(yīng)力，隨挖隨撐，嚴(yán)禁超挖。

4 數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)反饋，可以實(shí)時(shí)掌握目前基坑實(shí)際變形情況，再借助有限元計(jì)算結(jié)果，可以有效控制基坑開挖，從而保證開挖過程中基坑的安全和穩(wěn)定。

4.1 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

4.1.1 深層土體土體水平位移

從 2018 年 11 月 27 日起，由西端頭開始向東分步開挖。為了便于研究基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)選取西端頭具有代表性的、在開挖過程中出現(xiàn)紅色預(yù)警的ZQT01 與 ZQT32 深層土體水平位移監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行比較分析，其中 ZQT01 為后補(bǔ)土體測斜孔。監(jiān)測結(jié)果如圖 1 所示。

圖 1 深層土體水平位移變化情況

由圖 1 可以看出，基坑開挖至 2018 年 12 月 9 日之前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形不大，日變化量基本控制在 1 mm 以內(nèi)，而在 12 月 12 日，ZQT01 和 ZQT32 日變化量分別達(dá)到4.67 mm 和 10.14 mm，均超出監(jiān)測數(shù)據(jù)控制值的 1.5 倍（控制值為 ±3 mm），達(dá)到紅色預(yù)警狀態(tài)，隨后日變化量迅速下降至 1 mm 以內(nèi)。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)反饋結(jié)合現(xiàn)場施工情況分析可知，12 月9 日左右，基坑開挖至第一道鋼支撐作業(yè)面時(shí)，由于吊車及鋼構(gòu)件施工等荷載的作用，西端頭地面以下土體發(fā)生擾動(dòng)，加上現(xiàn)場持續(xù)降水，使得端頭處墻體向坑內(nèi)傾斜。由于天氣等各種不確定因素，未及時(shí)架設(shè)鋼支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴露時(shí)間高達(dá)數(shù)日，再加上基坑工程具有很強(qiáng)的復(fù)雜性和時(shí)空效應(yīng)，到 12 月 12 日，ZQT01 和 ZQT32 發(fā)生突變，日變化量達(dá)到紅色預(yù)警狀態(tài)，直到 12 月 14 日端頭處鋼支撐架設(shè)完畢，突變情況才趨緩和。從圖 1 可以看出，兩個(gè)測點(diǎn)的變化速率恢復(fù)穩(wěn)定，說明支撐的架設(shè)對(duì)抵擋圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、保障基坑安全起到顯著作用。

4.1.2 墻頂沉降

依舊選取 ZQC01 和 ZQC32 沉降監(jiān)測點(diǎn)，匯總墻頂沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)并作出曲線圖（見圖 2）。

從圖 2 可以看出，墻頂沉降整體控制在 ±5 mm 以內(nèi)，遠(yuǎn)小于控制值，具體原因如下：基坑開挖深度不大，由此產(chǎn)生的墻頂沉降還在可控范圍之內(nèi)；冠梁的整體剛度對(duì)墻頂沉降起到一定的約束作用。

圖 2 墻頂沉降變化情況

4.2 實(shí)測數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)對(duì)比分析

現(xiàn)對(duì)深層水平位移 ZQT32 和墻頂沉降 ZQC32 的監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較（見圖 3 和圖 4）。

由圖 3 和圖 4 可知，墻體變形總體呈拋物線形式，最大變形約在開挖面以下 13 m 處。兩者之間變化趨勢大體相當(dāng)，但仍存在一定誤差，計(jì)算值和實(shí)測值最大誤差約為5 mm，最小誤差在 1 mm 以內(nèi)，差別不大。分析表明，有限元的計(jì)算結(jié)果能較好地與現(xiàn)場實(shí)測得到的數(shù)據(jù)相吻合，并且累計(jì)位移都在預(yù)警值范圍之內(nèi)。

圖 3 水平位移變形對(duì)比圖

圖 4 墻體沉降變形對(duì)比圖

5 結(jié) 語

通過建立地鐵車站基坑的有限元模型，總結(jié)分析基坑開挖過程中現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測的數(shù)據(jù)，將有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論。

（1）基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，及時(shí)架撐能有效控制基坑變形速率。

（2）靠近基坑周邊構(gòu)件堆載及大型機(jī)械施工會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，因此在施工過程中應(yīng)盡量減小基坑周邊堆載和堆載時(shí)間。

（3）有限元模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果能較好的吻合，兩者誤差較小。這就能對(duì)下一步基坑開挖后的位移場和應(yīng)力場進(jìn)行初步的定量分析，以確保工程和基坑周邊環(huán)境安全。

（4）有限元模型只適用于基坑施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求下的理想情況，由于現(xiàn)場施工存在的不確定因素，模擬結(jié)果對(duì)基坑下一步施工存在參考價(jià)值。