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地鐵車站明挖施工深基坑監(jiān)控量測(cè)及數(shù)值模擬研究

文檔作者：郭余根文檔來(lái)源：中鐵十六局集團(tuán)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月08日
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施工技術(shù)2014年1月上
!! coNsTRucTIoN TEcHNoLoGY 第43卷第1期
DOI：10．7672／sgjs20140l0078
地鐵車站明挖施工深基坑監(jiān)控量測(cè)及數(shù)值模擬研究
郭余根
(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京100018)
[摘要]通過(guò)建立地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐和土層三維整體有限元模型，對(duì)深基坑開(kāi)挖每步施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分
析。探討深基坑隨著施工推進(jìn)土層的變形情況、內(nèi)支撐的應(yīng)力分布情況，進(jìn)而判斷深基坑在整個(gè)施工過(guò)程中的穩(wěn)
定性和安全性。同時(shí)還對(duì)深基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)毗鄰建筑物的地面變形和基坑支護(hù)應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并與數(shù)值模擬
結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律基本一致，在深基坑施工過(guò)程中要重點(diǎn)控
制由于開(kāi)挖引起的地面過(guò)大變形和監(jiān)控支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。
[關(guān)鍵詞】地下工程；地鐵車站；深基坑；監(jiān)測(cè)；數(shù)值模擬；變形
[中圈分類號(hào)】Tu753 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)】1002-8498(2014)0l-0078旬5
Monitoring and Numerical Simulation Research on the Deep Foundation
ExcaVation in Open-cut Construction of Subway Station
Gu0
(劬姚脅婦町16歷曰越旭口"鋤印
Yugen
co．，三以，&amp;amp;枷皤100018，∞抽口)
Abstract：The wh01e model of three-dimensional 6nite element is established through the diaphmgm wall，
inner supponing and soil layer． The numerical simulation of deep foundation excavation under the
constmction process is caHied thmugh．The def0瑚ation of soil in the deep foundation excavation wim the
constIⅥction pmcess and sn．ess distribution in the inner supporting are discussed． Then the stability and
safety of deep foundation excaVation in the whole constmction proces8 is judged． At the same time，the
ground defomation on adjacent buildings and foundation excavation support stress is monitored in the
deep foundation excaVation，and the results are compared with the numerical simulation．The results show
that the theoretical calculation results and monitoring data are basically the same．The ground defomation
should be controlled and the intemal force of support stnlcture is monitored in the constnlction pmcess of
deep fbundation excaVation．
Key words： undergmund； subway stations； deep foundation excaVation； monitoring； numerieal
simulation：defb咖ation
近幾年，地鐵在國(guó)內(nèi)很多城市陸續(xù)興建，明挖
法深基坑在地鐵車站建設(shè)中得到比較廣泛的應(yīng)用。
在開(kāi)挖深基坑時(shí)會(huì)引起基坑周圍土體的變形位移，
對(duì)毗鄰建筑物造成不同程度的影響和損害¨?。本
文以無(wú)錫市濱湖區(qū)河埒口站深基坑開(kāi)挖為依托，采
用有限元法分析預(yù)測(cè)在鄰近建筑物影響下基坑的
變形規(guī)律，設(shè)置了土層變形和支護(hù)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)方
案，完成了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并將有限元計(jì)算和監(jiān)測(cè)的結(jié)
果進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了地鐵車站深基坑開(kāi)挖過(guò)
程中建筑物附近土層的變形規(guī)律以及支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)
[作者筒介】郭余根，高級(jí)工程師，E-mail：“4614563@qq．co“
【收稿日期】2013礬-03
力分布規(guī)律。
1 工程概況
河埒口站位于無(wú)錫市濱湖區(qū)，沿梁溪路與蠡溪
路的交叉口下東西走向。車站有效站臺(tái)中心里程
為右SK4+632．679 O，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為右SK4+
216．881 4，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為右SK4+718．481 0。
車站與規(guī)劃4號(hào)線換乘，本站預(yù)留接口，換乘節(jié)
點(diǎn)及規(guī)劃4號(hào)線端頭井及部分標(biāo)準(zhǔn)段與本站同期實(shí)
施。車站頂板覆土厚約3．4m。主體結(jié)構(gòu)外包尺寸
為501．6m(長(zhǎng))×22．7m(標(biāo)準(zhǔn)段寬)，地下2層車
站，地下1層為站廳層，地下2層為站臺(tái)層，內(nèi)部結(jié)
構(gòu)為鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)。西端頭井基坑開(kāi)挖深
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2014 No．1 郭余根：地鐵車站明挖施工深基坑監(jiān)控量測(cè)及數(shù)值模擬研究．
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度約19．5m，東端頭井基坑開(kāi)挖深度約19．9m，標(biāo)準(zhǔn)
段基坑開(kāi)挖深度約18．2m，換乘節(jié)點(diǎn)處標(biāo)準(zhǔn)段基坑
開(kāi)挖深度約25．3m，端頭井處基坑開(kāi)挖深度約
27．0m。為了交通疏解、管線搬遷及基坑變形控制，
車站主體基坑分為東、西、中基坑進(jìn)行開(kāi)挖，在距車
站起點(diǎn)設(shè)計(jì)里程178，375m處設(shè)置臨時(shí)封堵墻，第1
階段開(kāi)挖東、西兩側(cè)基坑，第2階段開(kāi)挖中間標(biāo)準(zhǔn)段
基坑。本車站地質(zhì)層主要以黏土及粉質(zhì)黏土為主，
基坑坑壁土體主要為①雜填土、②黏土、③粉質(zhì)粉
土、④黏土，結(jié)構(gòu)底板坐落于黏土層上。圍護(hù)鉆孔
灌注樁樁底插入粉質(zhì)黏土層。
車站附近有海懼樓和1幢居民樓，其位置如圖
1所示。區(qū)醫(yī)l海懼樓I 居民樓
L．．．．．．．．．，．．．．-一
圖1基坑平面示意
Fig．1 Plan of fbundatiOn excavation
車站地下2層部分采用800mm厚地下連續(xù)墻，
地下3層部分采用1 000mm厚地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段
圍護(hù)墻深31m，東、西端頭井圍護(hù)墻深34m，換乘節(jié)
點(diǎn)處1m厚圍護(hù)墻深43m。基坑開(kāi)挖深度17．6～
19．9m，換乘節(jié)點(diǎn)處基坑開(kāi)挖深27m，基坑開(kāi)挖底面
位于黏土層中，地下連續(xù)墻墻趾插入粉質(zhì)黏土、殘
積土中。地下連續(xù)墻采用工字鋼接頭形式。車站
地下連續(xù)墻作為施工階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，側(cè)墻與地下
連續(xù)墻之間有外包防水層將其隔離，地下連續(xù)墻同
時(shí)兼作車站主體的抗浮結(jié)構(gòu)。
2有限元模型建立
深基坑整體包括地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土支
撐、鋼支撐、周圍土層等部分。由于深基坑在施工
時(shí)與土層之間有相互作用，所以針對(duì)深基坑結(jié)構(gòu)的
a地下連續(xù)墻
計(jì)算分析應(yīng)該建立關(guān)于地下連續(xù)墻、內(nèi)支撐和土層
之間共同作用的三維整體有限元模型?？紤]到基
坑開(kāi)挖對(duì)周圍土層的影響，建立土層模型時(shí)，模型
的側(cè)面邊界到地下連續(xù)墻的距離分別取為基坑開(kāi)
挖范圍的3倍，在深度方向上從基坑底部向下取為
基坑開(kāi)挖深度的3倍"剖。土層三維有限元模型的
邊界范圍如下：水平方向(算方向，即平行于開(kāi)挖面
的方向)取為110m，縱向(z方向，即垂直于開(kāi)挖面
的方向)取為100m，豎直方向(，，方向，即基坑的深
度方向)取為80m。以河埒口站居民樓附近基坑為
研究對(duì)象，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，將其土層的計(jì)算模
型從上到下劃分為7層。
有限元模型計(jì)算中，地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土
支撐采用ANsYS軟件中三維實(shí)體單元solid45來(lái)模
擬，鋼支撐采用beaml88梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，土層采
用三維實(shí)體單元solid45來(lái)模擬。共劃分單元
39 760個(gè)，其中土體單元34 080個(gè)，地下連續(xù)墻單元
4 112個(gè)，鋼筋混凝土支撐單元1 328個(gè)，鋼支撐單元
240個(gè)。深基坑整體有限元模型如圖2所示，各結(jié)
構(gòu)有限元網(wǎng)格如圖3所示。
圖2深基坑整體有限元模型
Fig．2 Finite eIement modeI of the
fbundation excavation
為簡(jiǎn)化模型，居民樓和海懼樓本身不建立模
型，而把它們簡(jiǎn)化為荷載，直接施加在地基對(duì)應(yīng)的
b鋼筋混凝土支撐c鋼支撐
圖3有限元網(wǎng)格示意
Fig．3 Finite eIement meshes
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
80
． 施工技術(shù)第43卷
地面上。計(jì)算時(shí)采用的邊界條件為：計(jì)算模型的側(cè)
面邊界分別受到戈軸和z軸方向的水平位移約束；
模型的下部邊界受到)，軸方向的豎向位移約束；地
表面為自由邊界，不受任何約束。
模型的初始狀態(tài)，對(duì)土層在自重應(yīng)力條件下進(jìn)
行求解，然后對(duì)位移清零。再設(shè)置地下連續(xù)墻進(jìn)行
穩(wěn)定求解。在模擬開(kāi)挖過(guò)程中施加各層支撐時(shí)，采
用ANSYS軟件生死單元功能依照各層加支撐的順
序，依次激活各層支撐，實(shí)現(xiàn)對(duì)各層支撐的模擬。
每層支撐是在地下連續(xù)墻變形后施加的，通過(guò)改變
節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。抽水引起的水位變化采
用水壓力施加給地下連續(xù)墻來(lái)計(jì)算，土層開(kāi)挖采用
土單元的生死功能來(lái)模擬。
3計(jì)算參數(shù)確定
地下連續(xù)墻、混凝土支撐和鋼支撐按理想彈性
材料來(lái)模擬，土層采用Dmcker-Pmger彈塑性模型來(lái)
模擬¨?。
土層的物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告選取。
其中，彈性模量根據(jù)地質(zhì)資料的壓縮模量換算得
到，換算公式為：
， 一’～2、
E=I 1一}lE。(1)
、l—p，
式中：E。為壓縮模量；E為彈性模量；y為泊松比。
由于地質(zhì)勘察報(bào)告沒(méi)有提供土層的泊松比，根
據(jù)土性分類并參考《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》GB／T
50145—2007規(guī)定選取。土層的物理力學(xué)參數(shù)如表
l所示。
鋼支撐采用線彈性模型，彈性模量取為
206GPa，泊松比取為0．3。封底混凝土和鋼筋混凝
土材料采用C20混凝土。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)
范》GB50010—2010，彈性模量取為30GPa，泊松比
取為0．2。由于混凝土所受的力不是很大，假設(shè)混
凝土也為線彈性模型。
4深基坑開(kāi)挖施工過(guò)程模擬結(jié)果分析
具體施工工序如下：
1)工況1 施工圍擋，平整場(chǎng)地，進(jìn)行交通疏
解，破除地面和路面，施作地下連續(xù)墻，施工井點(diǎn)
降水。
2)工況2第1次開(kāi)挖基坑至第1道鋼筋混凝
土支撐下，將混凝土腰梁與第1道混凝土支撐現(xiàn)澆
成整體。
3)工況3開(kāi)挖土體至第2道鋼支撐下0．5m，
架設(shè)第2道鋼支撐。
4)工況4開(kāi)挖土體至第3道鋼支撐下O．5m，
架設(shè)第3道鋼支撐。
5)工況5 開(kāi)挖土體至基坑底，施作素混凝土
墊層、防水及細(xì)石混凝土保護(hù)層。
4．1不同工況條件下土層變形分布情況
不同工況條件下，土層y方向的變形如圖4
所樂(lè)
矚孑!，舞，黑●焉■!!l晨■黑曙
a工況1
x胃==■?；『：===；i'：=■鬲罰-===-麗o
c工況3
一_m●t∞__q-?^mt_一T¨Ⅲt～
b工況2
J。h
f1
t“
c工況5
圖4土層J，方向變形情況(單位：m)
Fig．4 Defbrmation of soiI in j，direction(unit：m)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
2014 No．1 郭余根：地鐵車站明挖施工深基坑監(jiān)控量測(cè)及數(shù)值模擬研究
通過(guò)圖4可知，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，工況1土層的
’，方向最大變形為8．12mm，工況2土層的y方向最
大變形為9．50mm，工況3土層的)，方向最大變形為
10．43mm，工況4土層的y方向最大變形為
11．60mm，工況5土層的)，方向最大變形為
12．50mm。變化比較大，也就是基坑逐步開(kāi)挖對(duì)地
面沉降的影響比較大。從圖4還可以看到，居民樓
產(chǎn)生的自重荷載對(duì)基坑有很大影響，原因在于居民
樓離基坑太近，因此為保證基坑施工和居民樓的安
全，必須加強(qiáng)對(duì)居民樓附近地面的監(jiān)測(cè)。
4．2鋼筋混凝土腰梁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力的變化
情況
經(jīng)計(jì)算，不同工況下鋼筋混凝土腰梁和內(nèi)支撐
軸向應(yīng)力的變化情況如下：工況2鋼筋混凝土瞑梁
和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力最大值為o．44MPa；工況3鋼筋
混凝土腰梁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力最大值為1．01MPa；
工況4鋼筋混凝土腰梁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)力最大值為
1．05MPa；工況5鋼筋混凝土腰梁和內(nèi)支撐軸向應(yīng)
力最大值為1．2lMPa。這些應(yīng)力都沒(méi)有達(dá)到混凝土
的破壞應(yīng)力。
5 河埒口站居民樓附近基坑開(kāi)挖過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
研究
河埒口站居民樓附近基坑屬于特大型深水基
坑，具有一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，施工中需要開(kāi)展實(shí)
時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握結(jié)構(gòu)的變形和受力情況，確保施工安
全；同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，還可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理
性，為今后類似基坑的設(shè)計(jì)提供借鑒。針對(duì)河埒口
站居民樓附近基坑開(kāi)挖過(guò)程開(kāi)展了監(jiān)控量測(cè)，并將
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為河埒口
站居民樓附近基坑的順利施工提供了安全保障。
5．1監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和布置位置
居民樓豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿居民樓每側(cè)布置4個(gè)
測(cè)點(diǎn)，共計(jì)從JMLl到JML8 8個(gè)測(cè)點(diǎn)。居民樓附近地
表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿居民樓附近兩邊布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)，
分別為JDBl一l—JDBl4 4個(gè)點(diǎn)和JDB2—1一JDB2—4 4
個(gè)點(diǎn)?；炷林屋S力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在第1道鋼筋混
凝土支撐受力較大位置，布置1個(gè)軸力測(cè)點(diǎn)，即zLl2
點(diǎn)。鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)在第2道鋼支撐、第3道鋼支
撐受力較大的位置各布置軸力測(cè)點(diǎn)1個(gè)，共2個(gè)，即
zL2和zL3點(diǎn)，具體布置如圖5所示。
5．2數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析
5．2．1居民樓豎向位移
各個(gè)工況下，居民樓豎向位移計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值
對(duì)比如表2所示，表中監(jiān)測(cè)值取的是對(duì)應(yīng)工況下的
平均值。
從表2可以看出，8個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值
圖5監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意
、
Fig．5 MonitOring points layOut
表2居民樓豎向位移計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比
Table 2 Comparison of caIculation vaIue and monitoring
valⅡe of venical dispIacement of bundings mm
結(jié)果有些誤差，但差別不大，說(shuō)明建立的三維有限
元模型能夠滿足要求。
5．2．2居民樓附近地表豎向位移
各個(gè)工況下，居民樓附近地表豎向位移計(jì)算值
與監(jiān)測(cè)值對(duì)比如表3所示。
從表3可以看出，8個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值
結(jié)果比較接近，隨著開(kāi)挖深度的增加，無(wú)論是計(jì)算
結(jié)果還是監(jiān)測(cè)結(jié)果都表明，8個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移隨
著開(kāi)挖深度的增加而增大。
5．2．3鋼筋混凝土支撐軸力
各個(gè)工況下，鋼筋混凝土支撐軸力計(jì)算值與監(jiān)
測(cè)值的對(duì)比如表4所示。
通過(guò)表4可知，鋼筋混凝土支撐的軸力變化規(guī)
律與計(jì)算結(jié)果基本一致。
5．2．4鋼支撐軸力
各個(gè)工況下，鋼支撐軸力計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的對(duì)
比如表5所示。
4
3
，-
． ，
2
2
2
2
B
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B
B
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D
D
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●
■
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． B
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)
施工技術(shù)第43卷
表3居民樓附近地表豎向位移計(jì)算值
與監(jiān)測(cè)值對(duì)比
Table 3 ComparisOn 0f calcuIation vaIue and monitOring
Value Of VerticaI displacement near buildings mm
表4鋼筋混凝土支撐軸力計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比
Table 4 Comparison of calcula廿on value and monitoring
Value of axis fbrce of suppOn kN
表5鋼支撐軸力計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值對(duì)比
Table 5 Comparison of calculation vaIue and mOnitOring
value of steeI brace kN
通過(guò)對(duì)比軸力監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值可知，2道支撐
的軸力變化規(guī)律與計(jì)算結(jié)果基本一致，但監(jiān)測(cè)值普
遍小于計(jì)算值。其原因可能在于：理論計(jì)算時(shí)，假
定地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐之間是緊密連接的，在內(nèi)、
外壓力的荷載作用下迅速發(fā)揮功能，因此計(jì)算值大
于實(shí)測(cè)值。另外，施工過(guò)程中，地下連續(xù)墻和支撐
之間存在空隙，在荷載作用下相互壓緊后才會(huì)受
力，因此測(cè)得的支撐軸力小于理論計(jì)算值。并且在
施工監(jiān)測(cè)過(guò)程中，軸力監(jiān)測(cè)的應(yīng)變片焊接時(shí)間有些
滯后，是在把內(nèi)支撐全部安裝完畢后才焊接應(yīng)變
片，導(dǎo)致有些軸力沒(méi)來(lái)得及測(cè)到，使得監(jiān)測(cè)值偏小。
6 結(jié)語(yǔ)
1)通過(guò)建立地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土支撐、鋼
支撐和土層相互作用的三維整體有限元模型，從而
實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑開(kāi)挖施工過(guò)程的模擬分析。有限元計(jì)
算結(jié)果表明，無(wú)論對(duì)于地下連續(xù)墻，還是腰梁和內(nèi)
支撐，強(qiáng)度和變形都小于容許值。由于在基坑開(kāi)挖
過(guò)程中居民樓產(chǎn)生的荷載影響比較大，所以要加強(qiáng)
居民樓附近的位移監(jiān)測(cè)。
2)在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，作用在每層內(nèi)支撐
上的軸向壓應(yīng)力并不是隨著開(kāi)挖深度的增加而逐
漸增大，而是隨著工況推進(jìn)呈波動(dòng)變化的特征。
3)通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖的施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確
掌握了基坑在各種工況下的內(nèi)力和位移，保證了在
基坑安全的情況下順利施工；同時(shí)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，
還可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。
4)內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置應(yīng)布置在軸力較
大處，對(duì)于河埒口站居民樓附近基坑則布置在與居
民樓位置最近的內(nèi)支撐上，支撐軸力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可
以作為判斷基坑整體穩(wěn)定性的依據(jù)。
5)理論計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律
基本一致，數(shù)量上也比較接近，表明理論分析時(shí)建
立的分析模型合理，參數(shù)選取可靠。分析方法可為
今后類似工程的理論計(jì)算提供參考依據(jù)。
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