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摘要：随着我国经济的发展，城市地下空间的开发如火如荼，由此引发了一系列岩土工程问题。本文以广州地铁某区间明挖段基坑为依托，应用三维有限元软件对基坑进行动态模拟分析，并结合现场实际监测数据，分析本基坑开挖时墙体水平位移的变形情况。
关键词：基坑；有限元；分析；监测
0引言
随着我国经济的发展，地铁建设成为我国城市地下空间发展的重点。目前，我国已有包括北京、上海、广州、深圳在内的许多座城市已经开通了地铁线路，而随着地铁的大规模建设，产生了大量的地铁基坑，其规模越来越大、深度越来越深[1]。这就给基坑的施工带来了一定的影响。
基坑开挖施工，简而言之就是土体应力卸载，造成基坑周围土体原有的应力状态遭到破坏，引起支护结构发生变形的过程。从宏观上表现为围护结构的位移、周边地表的沉降、基坑底部的隆起以及周边地下管线的沉降等。一旦基坑的变形值超过规定的安全值，将会造成不可预计的事故，严重损害人民群众的安全。因此在深基坑工程施工时建立系统有效的监测系统是非常必要的。
19世纪之前的基坑规模一般较小，监测仪器比较落后，基坑施工阶段极少采用仪器监测基坑的变形情况。自上世纪60年代初，国外率先使用全站仪对基坑进行全方位的监测。20世纪90年代，国外出现了专门用于监测的数据采集系统，实现了基坑的自动化监测，同时基坑变形监测的手段越来越多，研究也越来越深入。石双忠等利用时序分析对变形监测数据处理分析与拟合，对基坑变形进行预测[2]。杨虹等利用数值仿真技术对金华大厦深基坑工程的三个开挖阶段分别进行了数值仿真模拟，得出支护结构调整对基坑变形的影响[3]。褚伟洪等对上海环球国际金融中心塔楼深基坑施工监测进行了全面的分析，为工程的顺利进行提供了可靠的保障[4]。
本文以广州地铁某区间基坑工程为例，在基坑开挖过程中对支护结构的墙体水平位移、周边地表沉降、内支撑、地下水位等进行监测，并根据监测结果对地下连续墙变化规律进行分析与数值模拟。
1工程概况
本文以广州地铁某区间明挖段基坑为例进行分析。明挖段及U型槽段基坑沿公路布设，场地地形坡度约为2～8°，地面标高为14.43～28.58m，地形起伏较大，但现经人工平整后，地势较为平缓。基坑周边地面车流量大，公路沿线分布众多地下管线，其中包括供水、供电、通信及雨水污水等管道，道路两侧分布有民房等建筑物。
图1 典型工程地质剖面图
2工程地质及水文地质条件
根据现场勘查实际情况，本区间线路内各岩土分层从上而下依次为：人工填土层、冲积-洪积砂层、冲积-洪积土层、河湖相沉积涂层、坡积土层、残积土层、岩石全风华带、岩石强风华带、岩石中风华带、岩石微风华带。场地地形情况如图1所示。
地下水水位埋藏普遍较深，稳定水位标高为8.79～10.86m，平均10.49m，地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，并受季节变化影响，年变化幅度为2.5～3.0m。
3 支护结构设计
本基坑采用明挖法施工，围护结构采用800mm形式的地下连续墙，支撑体系自上而下采用2道支撑，第一道支撑采用700×800混凝土支撑，第二道支撑采用Φ609，t=16mm钢支撑。基坑支护结构平面图如图2所示，基坑支护剖面如图3所示。由于明挖及U型槽段基坑线路狭长，基坑的开挖按照“竖向分层、纵向分段、逐层支护、逐层开挖”的方式进行。
图2基坑支护平面图
图3基坑支护剖面图
4、监测方案
4.1监测内容
根据相关技术规范以及本工程的特点和现场施工的具体情况，本工程对施工过程中的连续墙顶的水平位移、连续墙体变形、支撑轴力、地下水位、立柱沉降和周边地表沉降等11项进行监测。
4.2位移控制值
本基坑变形控制保护等级为一级。其位移要求为：
1.地面最大沉降量≤0.15％H，且≤30mm；
2.围护结构最大水平位移≤0.25%H，且≤30mm，（H为基坑开挖深度）；
所有监测安排均应以确保基坑支护以及周边环境安全为宗旨，若基坑开挖过程中出现位移速率、钢管支撑轴力较大等异常情况时，将适当加密监测次数。并且每次监测完毕后及时整理分析监测数据，向甲方和监理单位提供监测简报。若发现异常情况时及时报警。
5基坑监测数据分析
墙体水平位移是基坑监测的一个重要内容，是考察围护结构安全状况的重要指标。墙体水平位移监测点在本段每隔15～20m布置，基坑开挖前监测一次（得到初始情况），基坑开挖时2天1次，底板浇筑前1周1次，监测控制值为30mm，报警值为24mm[5-6]。具体布置如图4所示。
图4围护墙水平位移测点布置图
根据现场施工过程将基坑开挖的关键过程分为五个阶段：○1基坑前期准备（初始地应力模拟等）并开挖基坑至第一道支撑处下0.5米，施做第一道支撑；○2继续开挖基坑至第二道支撑处下0.5米，施做第二道支撑；○3基坑开挖至坑底；○4底板浇筑；○5待底板达到设计强度后，拆除第二道支撑。
本文对B06-1监测点进行分析。B06-1监测点处桩体水平位移曲线如图5所示。
图5 B06-1监测面在各关键施工阶段的水平位移曲线
6有限元计算模拟与分析
6.1数值计算模型
本文采用MIDAS-GTS软件对该工程进行模拟，基坑的宽度约为13～24m，长度约为98m，基坑开挖深度约为12m。水平向基坑墙后土体取3倍基坑开挖深度，竖向取1倍连续墙深度。模型含六层土体，各地层岩土力学计算参数根据勘察报告资料并结合地区的工程经验综合确定，简化得到表1建模土层参数。基坑有限元计算模型如图6所示。
6.2计算参数的选取
围护桩采用C35混凝土，根据经验将弹性模量E 取为20 GPa，重度为 25 k N/m3；钢支撑采用梁单元模拟，弹性模量E 取 200 GPa，基坑开挖前已经进行了基坑降水处理，因此不考虑地下水对基坑围护结构变形的影响。
6.3计算与监测结果对比
根据现场施工过程将基坑开挖的关键过程分为五个阶段，各阶段数值模拟计算值与实际监测值对比见图7。
图7 各工况下计算值与监测值的对比
由结果可知：基坑开挖初期，墙体最大水平位移发生在基坑顶部；随着基坑开挖的进行，墙体水平位移逐渐增大，当施做第二道支撑时，此时距离坑顶6米处墙体水平位移达到-4.658mm，与监测值-4.356mm接近；基坑开挖至坑底时，墙体水平位移最大值为-7.386mm，发生在距坑顶8米处，与监测值-6.845mm接近；基坑底板浇筑阶段，由于基坑的支护结构已经施工完毕，因此本阶段的墙体水平位移没有明显的变化；当拆除第二道支撑时，墙体水平位移增大，达到-9.015mm，对比监测数据-7.965mm，非常接近。
由于基坑在进行三维有限元分析时，没有考虑实际工程中会出现的车辆、施工机械、时空效应等因素，使得计算结果与实际监测结果有一定的偏差。通过5个工况的计算结果与实际监测结果的对比，发现两者的数值相差不大，且变化趋势基本一致，说明模型的建立、参数的选取等是合理的，说明此模型是正确的。
7结论
（1）监测结果表明，基坑墙体水平位移监测值在规范规定的最大变形允许范围内，基坑支护结构是安全的。
（2）墙体水平位移具有明显的空间效应。基坑开挖初期，支护结构处于悬臂状态，使得坑顶的水平位移较大，随着基坑开挖的进行，呈现基坑中部的水平位移较大，而边角处的水平位移较小。说明基坑边角附近的空间作用较强，而中部较弱。
（3）通过计算值与实际监测值在各工况下的数据对比可知，有限元分析结果与实测数据值拟合度较高、误差较小，证明了本模型的合理性。
参考文献：
[1] 刘杰，姚海林，任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟[J].岩土力学，2010.
[2] 石双忠等.时序分析在变形监测数据处理中的应用[J].工程勘察，2003.
[3] 杨虹等.金华大厦深基坑工程的仿真计算与分析 [J]。岩土力学，2003.
[4] 褚洪伟等.上海环球金融中心塔楼深基坑施工监测实录[J].地下空间与工程学报，2005.
[5] 《城市轨道交通工程测量规范》GB50308-2008
[6] 《建筑基坑工程监测技术规程》GB50497-2009
论文作者:冯苏箭
论文发表刊物:《北方建筑》2016年11月第33期
论文发表时间:2017/1/11
标签：基坑论文; 位移论文; 水平论文; 墙体论文; 结构论文; 工程论文; 数值论文; 《北方建筑》2016年11月第33期论文;