论文部分内容阅读
摘要：随着地铁建设的蓬勃发展，明挖车站基坑安全问题备受关注，对其变形问题的研究日益重要。本文结合某地铁车站基坑工程实际，采用有限差分数值模拟软件FLAC 3D建立基坑三维模型，模拟钻孔灌柱桩+钢支撑支护体系下地铁站基坑开挖过程，对基坑开挖过程中的变形特点进行了研究，并将模拟数据与监测数据对比分析。分析结果表明：①FLAC 3D模拟数据基本反映了施工期间基坑变形趋势；②基坑变形均在规范允许范围之内，即钻孔灌柱桩+钢支撑支护体系有效的控制了基坑变形，确保了基坑安全。
关键词：FLAC 3D；基坑；鉆孔灌柱桩+钢支撑；变形，安全
Abstract: With the rapid development of subway construction, open-cut station foundation pit safety concern, research of its deformation problem is becoming more and more important. Combining with a subway station foundation pit engineering practice, finite difference numerical simulation software FLAC 3D to establish three-dimensional model simulation of foundation pit, bored pile + steel bracing system of foundation pit excavation of subway station, deformation features in the process of excavation is studied, and the simulation analysis and comparison of data and monitoring data. The results showed that: ① FLAC 3D simulation data basically reflects the deformation trend of construction period; the deformation of foundation pit in the allowable range of standards, namely the bored pile+ steel bracing system and the effective control of the deformation of the foundation, to ensure the safety of foundation pit.
Key words: FLAC 3D; foundation; bored pile and steel support; deformation, safety
中图分类号：TU2 文献标识码：文章编号
在深基坑开挖的施工过程中，基坑内外的土体应力状态将发生改变，即由原来的静止土压力状态向被动或主动土压力状态转变，其改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力与变形中的任一量值超过容许范围，都将造成基坑的失稳破坏和使周围邻近建筑物及设施失效或破坏。因此基坑稳定及变形对周围已有建筑物的安全有着至关重要的作用，控制基坑变形尤其是复杂环境中的基坑变形成为工程界急需解决的一个难题。
由于工程地质条件的复杂性，地下水情况、土体性质的变化等众多不确定性因素的存在，加上设计与施工管理不善等原因，基坑工程变形失稳事故时有发生，给国家造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。地铁车站基坑工程因规模与周边环境特点，其稳定性问题是地铁建设过程中极其重要的安全控制问题。正确地掌握地铁基坑工程开挖过程中的变形特点，对于控制基坑变形，保证地铁建设安全稳定有着重要的意义。
1.工程概况
某地铁车站主体结构为地下二层双跨结构，顶板平均覆土厚3.0ｍ，车站底板埋深16.07ｍ。根据本站客流量，结构选用10ｍ单柱岛式站台，车站标准段宽度为18.70ｍ，标准段高度12.92ｍ，车站总长度184.0ｍ。根据基坑规模与周边环境条件，基坑变形控制保护等级为特级。根据岩土工程勘察显示，场地地形较平坦，属黄河冲洪积平原地貌。地面高程91.14～91.25ｍ。由上至下为：人工填土、第四系全新统粉土、粉质黏土、粉、细、中砂及第四系上更新统（Q3）粉土。地下水类型为潜水，含水层岩性主要以粉土、粉细砂为主，局部为中砂。含水层属中等透水层，富水性中等。
钻孔灌柱桩在基坑工程中得到广泛采用，本车站主体采用Ф1000＠1400围护桩与多层直径609ｍｍ、壁厚16ｍｍ（直径609ｍｍ、壁厚12ｍｍ）钢管支撑作基坑支护体系，桩外止水帷幕采用直径600ｍｍ的三轴搅拌桩，桩长24.07ｍ，桩顶标高０ｍ。考虑地面超载20KPa，地下水位标高为－2.5ｍ。基坑施工采用分段（３段）、分层（４层）开挖土方，结构采用明挖顺作法施工。现场施工设计支护参数见表１。
因基坑深度达到16ｍ，为保证基坑的稳定性及施工安全，基坑开挖过程分为４段，即基坑开挖至第一道支撑底标高2.5ｍ并设置第一道支撑为工况１，开挖至第二道支撑底标高8.2ｍ并设置第二道支撑为工况２，开挖至第三道支撑底标高12.3ｍ并设置第三道支撑为工况３，开挖至第四道支撑底标高并设置第四道支撑为工况４。
2.数值模型
考虑到基坑平面、支护结构、基坑地面超载（模型右侧）以及基坑开挖情况对基坑北部标准段部分建立模型，进行有限差分计算。基坑开挖深度为16.07ｍ，当前开挖长61ｍ，基坑宽18.70ｍ。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的３～４倍，深度方向约为开挖深度的２～４倍，取基坑沿长边方向延伸约４９ｍ，基坑两侧短边各延伸约40ｍ，基坑底部以下取44ｍ，即基坑模型尺寸为110ｍ×100ｍ×60ｍ（长×宽×高），如图１所示。土体单元采用块体单元，模型单元总数7858个，节点总数为9687个。模拟计算中，边界条件为模型底部位移全约束。
根据岩土工程勘察报告及前期参数反演研究结果，计算过程中，采用的岩土体物理力学参数见表２。
3.数值计算分析
根据基坑开挖和支护的施工步序，模拟施工开挖过程分四步完成，即第一步为基坑开挖至2.5ｍ处，进行支护完成后，再进第二步开挖至8.2ｍ处，支护完成后进行第三步开挖至12.3ｍ处，支护完成后进行第四步开挖直至基坑设计深度。计算中将每一个开挖步序作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程。根据数值模拟结果，得到随着开挖深度的增加，基坑发育最大变形量图，见图２。
计算结果表明：基坑开挖过程中，水平位移及地表沉降的发展并不均匀，且空间分布变化较大。由图２可见，随着基坑的开挖，基坑发育沉降位移普遍大于水平位移。对于基坑周边的地表沉降，工况１时有一定的发展，当基坑开挖至工况２时，由于基坑开挖回弹，沉降位移减小，随着基坑的进一步开挖，地表沉降位移继续增大。对于基坑水平位移的发展，其发展趋势异于沉降的发展。开挖初期至工况３时，水平位移发展速度较快，当基坑继续开挖至设计标高时，位移有所回弹。
由于基坑左右两侧受力情况不同（右侧存在地面超载），基坑开挖初期，右侧围护桩水平位移略大于左侧桩体，随着基坑开挖深度的增加，左右两侧桩体水平位移均逐步增加，但右側位移仍一直大于左侧。分析其原因是基坑右侧地面超载的存在加大了右侧的位移。
地表沉降一方面由于土体自重引起沉降，另一方面由于地面超载的存在和地下水的影响，部分地区沉降加大，尤其是地面超载存在处沉降变形最大。随着开挖步序的进行，沉降变形先由于开挖回弹的影响在一定程度上有所减小，然后随着开挖深度的加大，变形迅速增大，开挖深度至设计深度时达到最大值6.78cm，基坑底部隆起加剧，最大值达到３５ｃｍ。
4.实测对比分析
现场采用CX－3C型基坑测斜仪对施工过程中基坑变形进行监测并记录。其中，在基坑两侧桩体位置布置CX14（左侧桩体附近）和CX27（右侧桩体附近）测斜孔进行现场位移监测。在数值模拟过程中，在相同位置，设置测斜孔进行监测。根据现场工况１工况２结束后的监测结果，与数值模拟结果进行对比分析，见图３、图４。
由图３、图４可见，随着工况的进行，基坑左侧桩体变形逐渐减小，变形缓慢发展，沿地表竖直向下，位移逐渐减小；右侧桩体随着工况的进行位移不断变大，沿地表竖直向下，位移逐渐减小，开挖面以下变形减小迅速。
数值模拟结果与现场监测结果基本吻合，计算结果基本能够反映基坑的变形特性。根据数值模拟分析结果，在所选支护体系及参数下，基坑施工变形控制在规范要求范围之内，基坑基本处于稳定状态。但考虑施工中的诸多不确定性因素，施工过程中应该注意加强现场变形监测工作，重视对于基坑围护桩的水平位移、基坑底部隆起及周边高大建筑物的沉降的监测。
5.结论与建议
5.1根据数值模拟结果，开挖至设计深度16.07ｍ时，基坑变形水平位移最大值达到2.52ｃｍ，基坑周边地表沉降位移最大值为6.78ｃｍ，均在规范允许范围之内。
5.2考虑基坑开挖步序，对比分析现场监测及数值模拟计算结果，数值模拟方法基本反映施工期间的基坑工程变形趋势。
5.3采用钻孔灌柱桩+钢支撑支护体系有效的控制了基坑变形，确保了基坑安全。
5.4鉴于施工中的诸多不确定性因素，建议加强施工过程中的施工管理和监控量测工作，重视对基坑围护桩的水平位移、基坑底部隆起及周边高大建筑物的沉降的监测，及时收集数据，并及时将监测数据及分析结果报相关参建单位，以便必要时采取积极有效措施，保证施工安全和周边建（构）筑物安全。
参考文献:
［1］徐中华．上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，2007．
［2］曾令标．地铁车站盖挖逆作法施工技术研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，2002．
［3］罗智勇．软土地区逆作法地铁换乘车站基坑变形特性研究［Ｊ］．铁道工程学报，2010（12）：93－99．
［4］武朝军，陈锦剑．苏州地铁车站基坑变形特性分析［Ｊ］．岩土工程学报，2010，32（增刊）：458－462．
关键词：FLAC 3D；基坑；鉆孔灌柱桩+钢支撑；变形，安全
Abstract: With the rapid development of subway construction, open-cut station foundation pit safety concern, research of its deformation problem is becoming more and more important. Combining with a subway station foundation pit engineering practice, finite difference numerical simulation software FLAC 3D to establish three-dimensional model simulation of foundation pit, bored pile + steel bracing system of foundation pit excavation of subway station, deformation features in the process of excavation is studied, and the simulation analysis and comparison of data and monitoring data. The results showed that: ① FLAC 3D simulation data basically reflects the deformation trend of construction period; the deformation of foundation pit in the allowable range of standards, namely the bored pile+ steel bracing system and the effective control of the deformation of the foundation, to ensure the safety of foundation pit.
Key words: FLAC 3D; foundation; bored pile and steel support; deformation, safety
中图分类号：TU2 文献标识码：文章编号
在深基坑开挖的施工过程中，基坑内外的土体应力状态将发生改变，即由原来的静止土压力状态向被动或主动土压力状态转变，其改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力与变形中的任一量值超过容许范围，都将造成基坑的失稳破坏和使周围邻近建筑物及设施失效或破坏。因此基坑稳定及变形对周围已有建筑物的安全有着至关重要的作用，控制基坑变形尤其是复杂环境中的基坑变形成为工程界急需解决的一个难题。
由于工程地质条件的复杂性，地下水情况、土体性质的变化等众多不确定性因素的存在，加上设计与施工管理不善等原因，基坑工程变形失稳事故时有发生，给国家造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。地铁车站基坑工程因规模与周边环境特点，其稳定性问题是地铁建设过程中极其重要的安全控制问题。正确地掌握地铁基坑工程开挖过程中的变形特点，对于控制基坑变形，保证地铁建设安全稳定有着重要的意义。
1.工程概况
某地铁车站主体结构为地下二层双跨结构，顶板平均覆土厚3.0ｍ，车站底板埋深16.07ｍ。根据本站客流量，结构选用10ｍ单柱岛式站台，车站标准段宽度为18.70ｍ，标准段高度12.92ｍ，车站总长度184.0ｍ。根据基坑规模与周边环境条件，基坑变形控制保护等级为特级。根据岩土工程勘察显示，场地地形较平坦，属黄河冲洪积平原地貌。地面高程91.14～91.25ｍ。由上至下为：人工填土、第四系全新统粉土、粉质黏土、粉、细、中砂及第四系上更新统（Q3）粉土。地下水类型为潜水，含水层岩性主要以粉土、粉细砂为主，局部为中砂。含水层属中等透水层，富水性中等。
钻孔灌柱桩在基坑工程中得到广泛采用，本车站主体采用Ф1000＠1400围护桩与多层直径609ｍｍ、壁厚16ｍｍ（直径609ｍｍ、壁厚12ｍｍ）钢管支撑作基坑支护体系，桩外止水帷幕采用直径600ｍｍ的三轴搅拌桩，桩长24.07ｍ，桩顶标高０ｍ。考虑地面超载20KPa，地下水位标高为－2.5ｍ。基坑施工采用分段（３段）、分层（４层）开挖土方，结构采用明挖顺作法施工。现场施工设计支护参数见表１。
因基坑深度达到16ｍ，为保证基坑的稳定性及施工安全，基坑开挖过程分为４段，即基坑开挖至第一道支撑底标高2.5ｍ并设置第一道支撑为工况１，开挖至第二道支撑底标高8.2ｍ并设置第二道支撑为工况２，开挖至第三道支撑底标高12.3ｍ并设置第三道支撑为工况３，开挖至第四道支撑底标高并设置第四道支撑为工况４。
2.数值模型
考虑到基坑平面、支护结构、基坑地面超载（模型右侧）以及基坑开挖情况对基坑北部标准段部分建立模型，进行有限差分计算。基坑开挖深度为16.07ｍ，当前开挖长61ｍ，基坑宽18.70ｍ。根据基坑开挖影响长度方向约为开挖深度的３～４倍，深度方向约为开挖深度的２～４倍，取基坑沿长边方向延伸约４９ｍ，基坑两侧短边各延伸约40ｍ，基坑底部以下取44ｍ，即基坑模型尺寸为110ｍ×100ｍ×60ｍ（长×宽×高），如图１所示。土体单元采用块体单元，模型单元总数7858个，节点总数为9687个。模拟计算中，边界条件为模型底部位移全约束。
根据岩土工程勘察报告及前期参数反演研究结果，计算过程中，采用的岩土体物理力学参数见表２。
3.数值计算分析
根据基坑开挖和支护的施工步序，模拟施工开挖过程分四步完成，即第一步为基坑开挖至2.5ｍ处，进行支护完成后，再进第二步开挖至8.2ｍ处，支护完成后进行第三步开挖至12.3ｍ处，支护完成后进行第四步开挖直至基坑设计深度。计算中将每一个开挖步序作为一个计算步时，按增量法近似模拟施工过程。根据数值模拟结果，得到随着开挖深度的增加，基坑发育最大变形量图，见图２。
计算结果表明：基坑开挖过程中，水平位移及地表沉降的发展并不均匀，且空间分布变化较大。由图２可见，随着基坑的开挖，基坑发育沉降位移普遍大于水平位移。对于基坑周边的地表沉降，工况１时有一定的发展，当基坑开挖至工况２时，由于基坑开挖回弹，沉降位移减小，随着基坑的进一步开挖，地表沉降位移继续增大。对于基坑水平位移的发展，其发展趋势异于沉降的发展。开挖初期至工况３时，水平位移发展速度较快，当基坑继续开挖至设计标高时，位移有所回弹。
由于基坑左右两侧受力情况不同（右侧存在地面超载），基坑开挖初期，右侧围护桩水平位移略大于左侧桩体，随着基坑开挖深度的增加，左右两侧桩体水平位移均逐步增加，但右側位移仍一直大于左侧。分析其原因是基坑右侧地面超载的存在加大了右侧的位移。
地表沉降一方面由于土体自重引起沉降，另一方面由于地面超载的存在和地下水的影响，部分地区沉降加大，尤其是地面超载存在处沉降变形最大。随着开挖步序的进行，沉降变形先由于开挖回弹的影响在一定程度上有所减小，然后随着开挖深度的加大，变形迅速增大，开挖深度至设计深度时达到最大值6.78cm，基坑底部隆起加剧，最大值达到３５ｃｍ。
4.实测对比分析
现场采用CX－3C型基坑测斜仪对施工过程中基坑变形进行监测并记录。其中，在基坑两侧桩体位置布置CX14（左侧桩体附近）和CX27（右侧桩体附近）测斜孔进行现场位移监测。在数值模拟过程中，在相同位置，设置测斜孔进行监测。根据现场工况１工况２结束后的监测结果，与数值模拟结果进行对比分析，见图３、图４。
由图３、图４可见，随着工况的进行，基坑左侧桩体变形逐渐减小，变形缓慢发展，沿地表竖直向下，位移逐渐减小；右侧桩体随着工况的进行位移不断变大，沿地表竖直向下，位移逐渐减小，开挖面以下变形减小迅速。
数值模拟结果与现场监测结果基本吻合，计算结果基本能够反映基坑的变形特性。根据数值模拟分析结果，在所选支护体系及参数下，基坑施工变形控制在规范要求范围之内，基坑基本处于稳定状态。但考虑施工中的诸多不确定性因素，施工过程中应该注意加强现场变形监测工作，重视对于基坑围护桩的水平位移、基坑底部隆起及周边高大建筑物的沉降的监测。
5.结论与建议
5.1根据数值模拟结果，开挖至设计深度16.07ｍ时，基坑变形水平位移最大值达到2.52ｃｍ，基坑周边地表沉降位移最大值为6.78ｃｍ，均在规范允许范围之内。
5.2考虑基坑开挖步序，对比分析现场监测及数值模拟计算结果，数值模拟方法基本反映施工期间的基坑工程变形趋势。
5.3采用钻孔灌柱桩+钢支撑支护体系有效的控制了基坑变形，确保了基坑安全。
5.4鉴于施工中的诸多不确定性因素，建议加强施工过程中的施工管理和监控量测工作，重视对基坑围护桩的水平位移、基坑底部隆起及周边高大建筑物的沉降的监测，及时收集数据，并及时将监测数据及分析结果报相关参建单位，以便必要时采取积极有效措施，保证施工安全和周边建（构）筑物安全。
参考文献:
［1］徐中华．上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，2007．
［2］曾令标．地铁车站盖挖逆作法施工技术研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，2002．
［3］罗智勇．软土地区逆作法地铁换乘车站基坑变形特性研究［Ｊ］．铁道工程学报，2010（12）：93－99．
［4］武朝军，陈锦剑．苏州地铁车站基坑变形特性分析［Ｊ］．岩土工程学报，2010，32（增刊）：458－462．