地铁站基坑围护结构变形规律研究及数值模拟

张晓龙 ZHANG Xiao-long

（河南理工大学土木工程学院，焦作 454003）

（School of Civil Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China）

摘要： 基于对天津某地铁站基坑监测数据的分析，得到在开挖过程中围护结构的变形规律，并采用大型Plaxis软件对基坑开挖支护进行模拟，将模拟结果与监测结果进行对比，结果表明Plaxis模拟结果在一定程度上能够反应基坑开挖中围护结构变化情况。

Abstract： Based on the analysis of the foundation pit monitoring data of a subway station in Tianjin， the deformation law of retaining structure in the process of excavation is obtained. The large Plaxis software is used to simulate the excavation support. The simulation results are compared with monitoring results， the results show that Plaxis simulation results can react the excavation deformation situation of retaining structure to a certain extent.

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关键词 ： 监测；围护结构；Plaxis

Key words： monitor；retaining structure；Plaxis

中图分类号：[TU745.3] 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）25-0098-04

作者简介：张晓龙（1989-），男，河南濮阳人，在读研究生，主要从事地下工程稳定性研究。

0 引言

随着城市建设的发展，日益要求开发城市三维空间。目前各类用途的地下空间已在世界各大中城市得到开发应用，诸如地铁车站、地下停车场、地下街道、地下商场、地下医院等，其中，地铁车站的建设极大缓解了各大中城市地面交通压力，但随着基坑工程规模的扩大，开挖深度的加深，必然会带来一系列的岩土工程问题。其中基坑开挖的稳定性是一个突出问题，而围护结构的变形是影响基坑稳定性重要因素之一。

因此，研究围护结构变形规律是控制其变形的前提。李刚[1]根据上海地铁7号线杨高南路车站基坑的监测数据及数值模拟结果，分析了地下连续墙的变形特征；刘新等[2]以黄土地区某地铁车站深基坑工程为例，根据监测结果分析了基坑开挖围护结构的变形规律；杨华伟等[3]以深圳地铁中心公园停车场深基坑工程为例，讨论了基坑开挖监测方案，并结合施工中出现的问题，对现场监测结果进行了分析和总结；刘均红[4]以西安地铁某大型车站深基坑工程为背景，采用现场监测与三维数值模拟相结合的方法，研究了开挖过程中地铁车站深基坑的变形规律。

本文拟采用现场监测结合Plaxis模拟开挖支护的方式，来分析基坑围护结构变形规律，并研究Plaxis软件模拟基坑变形的可行性。

1 工程概况

1.1 地质概况

车站范围内工程地质以杂填土、粘土、粉质粘土、粉土、粉砂等软土为主，含水量丰富。

该车站影响范围内地层主要为第四系全新统人工填土层（Qml）、第四系全新统上组陆相冲积层（Q34al）、第四系全新统中组海相沉积层（Q42m）及第四系全新统下组陆相冲积层（Q41al），岩性主要为粉质粘土、粉土。

地表普遍分布人工填土层（Qml），土质不均，结构松散，工程性质差。

第四系全新统上组陆相冲积层（Q43al）岩性主要为软塑～可塑状粉质粘土及中密状态粉土，工程性质尚可。

第四系全新统中组海相沉积层（Q42m）由软塑～流塑状粉质粘土、中密状态粉土组成，局部分布有流塑状态的淤泥质土，工程性质较差。

第四系全新统下组陆相冲积层上部为沼泽相沉积层（Q41h），主要为软塑～可塑状态粉质粘土，该层厚度较小，工程性质较差；下部为河床～河漫滩相沉积层（Q41al），主要为可塑状态粉质粘土，密实状态粉土，该层土土质较好。

1.2 水文概况

施工区域内地下水可细分为：潜水、第一层承压水、第二层承压水。

潜水含水层：粉质粘土（4）层、粉土（4）2层、粉土（6）1t层、粉质粘土（6）1层、粉质粘土（6）4层、粉土（6）4t层。根据同一场区抽水试验报告可知；水位标高1.569～1.630m。潜水水位一般年变幅在0.5～1.0m。

粉质粘土（7）层属不透水～微透水层，可视为潜水含水层与其下承压含水层的相对隔水层。本含水层水平、垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。接受大气降水和地表水入渗补给，地下水具有明显的丰、枯水期变化，丰水期水位上升，枯水期水位下降。年变化幅度约为0.5～1.0m。主要含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。排泄方式主要有蒸发、人工开采和下渗补给下部承压水。

第一承压水：含水层为粉土（8）21层、粉土（9）2层、粉砂（9）21层。根据同一场区抽水试验报告可知；水头标高-1.854～-1.941m。

粉质粘土（10）1层、粉质粘土（11）1层属不透水～微透水层，可视为承压含水层相对隔水底板。本层地下水主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密，排泄以相对含水层中的径流形式为主，同时以渗透方式补给深层地下水。该层地下水水位受季节影响较小。

第二承压水：含水层为粉土（11）2层、粉砂（11）21层、粉土（11）3t层、粉土（11）4t层、粉土（11）5t层。根据同一场区抽水试验报告可知水头标高-2.803～-2.911m。

1.3 车站施工方案及工况

1.3.1 施工方案

本站为地下两层岛式车站，车站有效站台中心里程处顶板覆土2.5m，车站总长166m，标准段宽度约为44m，标准段基坑深度为16m，东西端头宽度约55m，盾构井处为17.86m。车站共设4个出入口及2组风亭，车站明挖顺作法施工。

维护体系：采用800mm厚，36m长地下连续墙；

支撑体系：标准段基坑采用三道钢筋混凝土支撑。

1.3.2 标准段工况

工况1：开挖至1m深度，施做第一道钢筋混凝土支撑；

工况2：开挖至7.5m深度，施做第二道钢筋混凝土支撑；

工况3：开挖至12.5m深度，施做第三道钢筋混凝土支撑；

工况4：开挖至坑底标高16.00m处，施做底板。

2 现场监测

2.1 监测方案

2.1.1 监测仪器

测斜仪、测斜管等。

2.1.2方法与步骤

①每次测量时，将探头导轮对准与所测位移方向一致的槽口，缓缓放至管底，待探头与管内温度基本一致、显示仪读数稳定后开始测量；

②一般以管口作为计程标志，按探头电缆上的刻度分划，均速提升，每隔一定距离（500mm或l000mm）进行仪表读数，并作纪录；

③待探头提升至管口处，旋转180°，再按上述方法测量一次，以消除测斜仪自身的误差。

2.1.3 计算原理

使用活动式测斜仪采用带导轮的测斜探头，再将测斜管分成n个测段（如图1）。

每个测段的长度li（li=1000mm），在某一深度位置上所测得的两对导轮之间的倾角θi，通过计算可得到这一区段的变位△i，计算公式为：

某一深度的水平变位值δi可通过区段变位?驻i的累计得出，即：

2.1.4 数据处理与分析

量测后应绘制位移—历时曲线，孔深—位移曲线。当水平位移速率突然过分增大是一种报警信号，收到报警信号后，应立即对各种量测信息进行综合分析，判断施工中出现了什么问题，并及时采取保证施工安全的对策。

2.1.5 测斜监控标准

测斜监控标准如表1所示。

2.2 监测结果分析

围护结构水平位移是基坑运行安全与否最直观、最可靠的体现，也是基坑监测中最重要指标之一；本节主要对基坑开挖支护过程中标准段围护结构的水平位移监测数据进行分析。该车站基坑地连墙上共布设19个测斜孔，鉴于测斜孔的完整性及监测数据的可靠性等原因，拟选取基坑长边中点处ZQT-11孔为分析对象，来对基坑围护结构变形特性进行研究。

图2给出了ZQT-11孔在整个基坑开挖过程中不同工况下的测斜曲线，根据曲线图可以发现，工况1下围护结构最大水平位移发生在墙顶处，最大值为4.86mm，而沿深度增加方向水平位移不断减小，直至11m深度处趋近于0mm，说明小幅度的开挖对围护结构的影响范围是有限的；工况2~工况4变形曲线近似呈“）”形，在墙顶处水平位移均变化较小，这是由于第一道支撑限制了其变形，其次，工况2最大水平位移值为12.33mm，发生在5.5m深度处，工况3最大水平位移值为19.03mm，发生在9.5m深度处，工况4最大水平位移值为22.5mm<30mm（监测控制值），发生在14m深度处，可以发现随着基坑的不断开挖，围护结构在不断向基坑内部移动，最大水平位移值在不断增加，所在位置也在不断向下移动；此外，在工况3和工况4测斜曲线上均出现明显的拐点，分别在7m和12m附近，这是因为支撑发挥了作用，限制了其的变形，导致此处水平位移变化幅度相对其他位置要明显小很多。故开挖结束后及时施做支撑，使其尽快发挥支撑作用，是控制围护结构水平变形的有效措施之一。

3 数值模拟

3.1 模型建立

本文拟用大型软件Plaxis模拟基坑开挖支护过程，根据以往工程经验及有限元计算结果，基坑开挖影响宽度约为开挖深度的3-4倍，影响深度约为开挖深度的2-4倍，为更细致的研究基坑变形规律，将适当增大土体模拟范围，故基坑开挖影响宽度取80m，影响深度取60m。本文采用2D分析方法，选取基坑长边中点处剖面为模拟对象，计算中考虑到基坑形状的对称性，以及缩短计算时间、提高计算精度，取基坑宽度的一半进行分析，故模型宽取102m，深取60m，模拟采用摩尔-库伦模型，根据现场勘查结果，将土体分为9层，土体材料采用详细勘察报告中物理力学参数表推荐数值，钢筋混凝土材料按《混凝土结构设计规范》选取。钢筋混凝土材料参数如表2所示，土体材料参数如表3所示。

3.2 模拟结果及对比分析

经过模拟整个基坑开挖，将各工况下围护结构水平位移监测数据与模拟结果作对比，绘出墙体水平位移曲线对比图（见图 3），由曲线图可见，各工况下墙顶水平位移模拟值均小于监测值，但随深度增加，二者在某点相交，此后模拟值均大于监测值；另外，图中最大水平位移模拟值为26.59mm<30mm，略大于现场监测最大值，但二者最大值所在位置较为接近；此外，由曲线对比图可知各工况下两曲线变化趋势基本相同，形状大体一致，说明Plaxis模拟结果在一定程度上能够反应基坑开挖中围护结构变化情况；最后，图中现场监测曲线呈现波浪形而模拟曲线比较平滑，这是因为现场施工过程中有很多外界干扰因素，比如气温、降水、坑边堆积重载及监测误差等，这些不确定因素的发生导致了监测数据变化不稳定；而数值模拟是在一种较理想条件下进行的，较少的考虑外界因素影响，所以得出的数据变化较稳定，曲线较平滑。

4 结语

通过对天津某地铁站基坑具有代表性的测斜孔监测数据分析，得出了基坑围护结构变形规律，并采用Plaxis大型软件对基坑开挖过程进行模拟，所得结果与现场监测数据进行对比，结论如下：

①基坑开挖导致围护结构不断向坑内移动，随着开挖深度的增加，最大水平位移不断增加，所在位置不断向下移动，总体呈“）”形；支撑的施做大大限制了围护结构向坑内移动，保证了基坑稳定性，故及时施做支撑是控制基坑变形的有效措施之一；

②施工期间对基坑围护结构进行信息化施工监测并及时进行分析，有利于及时采取相应措施，保证基坑施工及周边建筑物安全；

③利用Plaxis按照该基坑开挖与支护顺序进行数值模拟计算，其模拟计算结果与信息化施工实际监测结果对比分析，结果表明二者所呈现的围护结构变形曲线形状大体一致，说明Plaxis模拟结果在一定程度上能够反应基坑开挖中围护结构变化情况；

④模拟计算结果与实际监测结果所得墙体变形规律基本一致，说明了土体参数的选取基本符合实际开挖土体受施工扰动参数特性，可供工程设计参考。

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参考文献：

[1]李刚.地铁车站深基坑地下连续墙变形特征分析[J].铁道标准设计，2008，06：100-103.

[2]刘新，等.某地铁车站深基坑施工期围护结构及邻近建筑变形监测与分析[J].施工技术，2014，43（13）：55-58.

[3]杨华伟，等.复杂环境下城市地铁深基坑开挖实测与分析[J].岩土工程技术，2011，25（6）：281-286.

[4]刘均红.地铁车站深基坑变性规律的三维数值模拟分析[J].北方交通，2011（7）：55-58.