摘  要：在地铁明挖深基坑工程中，受工程地质条件和工程环境的影响，其围护结构的变形规律千差万别。以某地铁车站明挖基坑工程为例，依据基坑工程排桩围护结构变形实际监测数据，并结合数值模拟方法，详细分析了基坑施工各阶段的围护桩体变形规律。研究结果认为：基坑刚开始开挖时支护桩测斜曲线呈线性变化，随着基坑开挖和钢支撑的架设，围护结构变形曲线转为弓形，最大水平位移在基坑开挖深度的 2/3 处，可为类似深基坑工程的围护结构优化设计和科学施工提供参考。

关键词：深基坑；围护结构变形；数值模拟；现场监测

 

      随着城市地铁在中国各大城市兴建，明挖法深基坑在地铁建设中得到比较广泛的应用^[1]。明挖法深基坑施工中由于基坑开挖深度较大，随着基坑内土体被挖出，基坑周边一定范围内地层应力将发生调整，宏观表现为地层的移动、地表或地面沉降、围护结构变形等，过大的地面沉降和地层变位将直接影响地面建筑物和地下管线的正常使用及基坑工程结构的稳定，进而危及施工现场及周围建筑的安全^[2]。由于深基坑工程中围护结构的变形是引起深基坑工程事故的主要因素，有效地控制深基坑工程中围护结构的变形从而确保工程施工安全已经成为人们的共识^[3-4]。本文以某地铁车站明挖基坑的监测为实例，以实际监测的排桩围护结构变形数据为主，加以数值模拟分析，将理正数值模拟程序、FLAC^2D数值模拟程序与实际基坑监测数据相结合，分析出基坑施工各阶段的围护桩体变形规律，对于检验基坑设计理论和方法的正确性，优化施工方案，减小和避免事故发生，具有重要的实际工程意义^[5]。

 

      某地铁车站明挖基坑位于吉林省长春市，该场地地势西高东低。场地地貌类型为松辽波状平原东缘与吉东山地接址带，地貌单元为长春波状台地，勘察高程测量采用长春市城市高程。沿线地面标高为208.114～204.50 m，最大高差3.614 m。勘察揭露最大深度40.0 m，勘察结果表明，地层沉积具有一定的规律性，主要由三部分组成：地表一般分布有道路结构层和人工堆积杂填土层、第四系冲积黏性土和冲洪积砂土、下伏白垩系泥岩组成。具体各层岩土层的主要物理及力学指标见表1。

      车站主体及站台区间结构采用明挖顺做法施工。围护结构采用钻孔灌注桩结合钢支撑的形式，桩间土挂网喷混凝土保护。其中，钢支撑采用φ 609 mm 的Q235 钢管支撑，壁厚 16 mm。支撑水平间距为 3 m，竖向按 4 道支撑设置。本文取开挖过程中具有代表性的^＃114 测斜点范围内的基坑作为研究对象，钢支撑安装位置：第 1 道支撑在-1.0 m 处，第 2 道支撑在-6.0 m处，第 3 道支撑在-11.0 m 处，第 4 道支撑在-16.0 m处，除了第 1 道支撑在 1000 mm×800 mm 的冠梁上外，第 2，3，4 道支撑均在 2I45c 的钢围檩上。研究区段基坑开挖深度 20 m，桩长 27 m，采用φ1000@1200 钻孔灌注桩。

      以基坑开挖过程中^＃114测斜点范围内的基坑作为研究对象。基坑开挖工况见表2。

      本文结合某地铁车站明挖基坑的监测，重点分析基坑开挖各阶段完成并加上相应钢支撑后，^＃114测斜点桩身水平位移变化情况。以实际监测到的^＃114测斜点桩身水平位移曲线为主，结合理正数值模拟程序和FLAC^2D数值模拟程序模拟相应阶段^＃114测斜点的桩身水平位移曲线，综合分析基坑开挖各阶段的围护桩体变形规律。如图2所示为深基坑的计算模型。

      基坑开挖第一阶段，基坑开挖深度为-7.0 m。由于原土体受开挖扰动，导致开挖面应力释放，土体向基坑内侧运动挤压围护桩向基坑内侧变形，支护桩测斜曲线呈线性变化[6]，实际监测曲线和软件模拟曲线如图3。从图3中可以看出，最大位移出现在支护桩顶，为5 mm左右。

      基坑开挖第二阶段，基坑开挖深度为-12.5 m。随着基坑开挖深度加深，由于没有及时安设第2道钢支撑，同时由于第1道钢支撑及下部桩体埋入土体影响，在土体挤压下，桩体呈现两端变形小中间变形大趋势，至2010年6月28日安装完成第2道钢支撑时，在桩顶下10 m处出现最大变形值，达到8.77 mm，实际监测曲线和软件模拟曲线如图4，软件模拟的曲线与实际检测曲线基本符合。从图4中可以看出，支护桩测斜曲线呈“弓形”变化^[7]。

      基坑开挖第三阶段，基坑开挖深度为-15.0 m。基坑开挖进一步加深，桩身水平位移不断增大，至 2010年 7 月 15 日安装完成第 3 道钢支撑时，在距桩顶 11.5m 处出现最大变形值，达到 13.25 mm，实际监测曲线和软件模拟曲线如图 5，软件模拟的曲线与实际监测的曲线有差异，实际监测数值要比软件模拟的数值要大，但基本变形规律不变，主要是由于钢支撑施加预应力时，产生应力松弛^[8]。实际从图 5 中可以看出，支护桩测斜曲线仍呈“弓形”变化，但是最大位移点下移。

      基坑开挖第四阶段，基坑开挖深度为-20 m，即开挖至基坑底部。随着基坑开挖深度加深，桩身水平位移继续增大，至2010年7月24日安装完成第4道钢支撑时，在距桩顶12 m处出现最大变形值，达到29.77mm，实际监测曲线和软件模拟曲线如图6，软件模拟的曲线与实际监测曲线基本符合。从图6中可以看出，基坑顶部水平位移变化不大，中间区段变化较大，总体曲线形状仍呈“弓形”。

      综合上述监测和数据分析认为：

      （1）施工结束后最终变形曲线与其他工程类似，曲线均呈“弓形”。

      （2）排桩上、下端头段整体变形量较中间小，这与端头所受约束较多有关系。

      （3）本工程岩土条件下基坑自冠梁顶面下 10～12 m 处变形量最大。

      （4）侧向位移与支护结构（本工程为钢支撑）安装是否及时有很大关系。

      （5）侧向位移量和基坑开挖及支护施工过程有密切关系，随着基坑开挖→上部钢支撑安装→再开挖→下部钢支撑安装的施工过程，桩身变形曲线不断变化。

 

      本文以某地铁车站明挖深基坑为例，采用现场监测、理正数值模拟软件、FLAC^2D软件模拟的方法对地铁车站深基坑在不同开挖阶段的围护结构变形规律进行了研究，得到以下几点结论。

      （1）围护结构的最大水平位移与开挖深度和时间密切相关，在基坑刚开始开挖而未架设钢支撑时，支护桩测斜曲线呈线性变化，其中桩顶水平位移最大，随着基坑的开挖和钢支撑的架设，围护结构变形曲线由线性变化逐渐向“弓”字形转化，最大水平位移发生的位置也随着下移，并且最大位移位置大约在基坑开挖深度的 2/3 处。

      （2）通过深基坑不同开挖阶段围护结构实测与软件模拟的变形曲线看出，本工程实测数据大于软件模拟数据，主要是由施工过程中操作失误和钢支撑预应力损失所造成的。如何利用监测数据反算围护结构的设计参数，对现有围护结构设计进行优化是下一步需要研究的课题。

      （3）理正数值模拟软件、FLAC 模拟的结果和监测结果比较接近，说明模型的建立、参数的选取以及计算方法是合理的，计算结果能够体现深基坑变形的一般规律。理正深基坑支护设计软件与 FLAC 数值计算能够研究基坑开挖过程中的基坑变形规律，其计算结果对于基坑工程围护结构设计、施工方案选择、基坑变形监测方案的确定具有重要价值。

 

[1] 刘 勇, 冯 志, 黄国超, 等. 北京地铁工程深基坑围护结构变形研究[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 5(2): 230–331. (LIU Yong, FENG Zhi, HUANG Guo-chao, et al. The study in predicting the deformation of supporting structure for deep foundation pit[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(2): 230–331. (in Chinese))

[2] 徐杨青. 深基坑工程设计的优化原理与途径[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(2): 247–251. (XU Yang-qing. Deep foundation design principles and methods of optimization[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(2): 247–251. (in Chinese))

[3] 吴晓旺, 付建军, 杜学飞. 某隧道基坑监测及安全稳定分析分析研究[J]. 分析研究, 2009, 4(3): 122–127. (WU Xiao-wang, FU Jian-jun, DU Xue-fei. Monitoring and analysis of security and stability analysis for one tunnel excavation[J]. Analysis and Research, 2009,4(3): 122–127.

(in Chinese))

[4] 涂成立, 徐祯祥. 地铁车站深基坑监测与分析[J]. 市政技术, 2007, 25(5): 420–422. (TU Cheng-li, XU Zhen-xiang.The monitoring and analysis for deep foundation pit of subway station[J]. Municipal Engineering Technology, 2007,25(5): 420–422. (in Chinese))

[5] 刘 波, 韩彦辉. FLAC 原理、实例与应用指南[M]. 北京:人民交通出版社, 2005. (LIU Bo, HAN Yan-hui. FLAC principles, examples and application notes[M]. Beijing:China Communications Press, 2002. (in Chinese))

[6] 任建喜. 地铁换乘站深基坑围护结构变形规律 FLAC 模拟研究[J]. 陕西能源职业技术学院学报, 2008, 7(3): 17–18.(REN Jian-xi. FLAC simulation study on supporting deformation law of deep excavation in subway transfer station[J]. Journal of Shaanxi Energy Institute, 2008, 7(3): 17–18. (in Chinese))

[7] 李岩岩. 地铁车站明挖施工基坑监测技术与分析[J]. 青岛大学学报(工程技术版), 2009, 24(4): 87–92. (LI Yan-yan.Analysis on the foundation pit construction monitoring technology in open-cut construction in subway[J]. Journal of Qingdao University(E&T), 2009, 24(4): 87 – 92. (in

Chinese))

[8] 孙 凯, 许振刚, 刘庭金, 等. 深基坑的施工监测及其数值模拟分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2004, 23(2): 293–298.(SUN Kai, XU Zhen-gang, LIU Ting-jin, et al. Construction monitoring and numerical simulation foundation of an analysis pit[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004, 23(2): 293–298. (in Chinese)