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地鐵車站明挖施工深基坑監控量測及數值模擬研究

文檔作者：郭余根文檔來源：中鐵十六局集團有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年05月08日
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施工技術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控量測及數值模擬研究
郭余根
(中鐵十六局集團有限公司，北京100018)
[摘要]通過建立地下連續墻、內支撐和土層三維整體有限元模型，對深基坑開挖每步施工過程進行數值模擬分
析。探討深基坑隨著施工推進土層的變形情況、內支撐的應力分布情況，進而判斷深基坑在整個施工過程中的穩
定性和安全性。同時還對深基坑開挖過程中對毗鄰建筑物的地面變形和基坑支護應力進行了監測，并與數值模擬
結果進行了對比。結果表明，理論計算結果和現場監測數據的變化規律基本一致，在深基坑施工過程中要重點控
制由于開挖引起的地面過大變形和監控支護結構的內力。
[關鍵詞】地下工程；地鐵車站；深基坑；監測；數值模擬；變形
[中圈分類號】Tu753 [文獻標識碼]A [文章編號】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，地鐵在國內很多城市陸續興建，明挖
法深基坑在地鐵車站建設中得到比較廣泛的應用。
在開挖深基坑時會引起基坑周圍土體的變形位移，
對毗鄰建筑物造成不同程度的影響和損害¨?。本
文以無錫市濱湖區河埒口站深基坑開挖為依托，采
用有限元法分析預測在鄰近建筑物影響下基坑的
變形規律，設置了土層變形和支護應力的監測方
案，完成了現場監測，并將有限元計算和監測的結
果進行了對比分析，得到了地鐵車站深基坑開挖過
程中建筑物附近土層的變形規律以及支護結構應
[作者筒介】郭余根，高級工程師，E-mail：“4614563@qq．co“
【收稿日期】2013礬-03
力分布規律。
1 工程概況
河埒口站位于無錫市濱湖區，沿梁溪路與蠡溪
路的交叉口下東西走向。車站有效站臺中心里程
為右SK4+632．679 O，設計起點里程為右SK4+
216．881 4，設計終點里程為右SK4+718．481 0。
車站與規劃4號線換乘，本站預留接口，換乘節
點及規劃4號線端頭井及部分標準段與本站同期實
施。車站頂板覆土厚約3．4m。主體結構外包尺寸
為501．6m(長)×22．7m(標準段寬)，地下2層車
站，地下1層為站廳層，地下2層為站臺層，內部結
構為鋼筋混凝土箱形結構。西端頭井基坑開挖深
萬方數據
2014 No．1 郭余根：地鐵車站明挖施工深基坑監控量測及數值模擬研究．
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度約19．5m，東端頭井基坑開挖深度約19．9m，標準
段基坑開挖深度約18．2m，換乘節點處標準段基坑
開挖深度約25．3m，端頭井處基坑開挖深度約
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、中基坑進行開挖，在距車
站起點設計里程178，375m處設置臨時封堵墻，第1
階段開挖東、西兩側基坑，第2階段開挖中間標準段
基坑。本車站地質層主要以黏土及粉質黏土為主，
基坑坑壁土體主要為①雜填土、②黏土、③粉質粉
土、④黏土，結構底板坐落于黏土層上。圍護鉆孔
灌注樁樁底插入粉質黏土層。
車站附近有海懼樓和1幢居民樓，其位置如圖
1所示。區醫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厚地下連續墻，
地下3層部分采用1 000mm厚地下連續墻，標準段
圍護墻深31m，東、西端頭井圍護墻深34m，換乘節
點處1m厚圍護墻深43m?；娱_挖深度17．6～
19．9m，換乘節點處基坑開挖深27m，基坑開挖底面
位于黏土層中，地下連續墻墻趾插入粉質黏土、殘
積土中。地下連續墻采用工字鋼接頭形式。車站
地下連續墻作為施工階段的圍護結構，側墻與地下
連續墻之間有外包防水層將其隔離，地下連續墻同
時兼作車站主體的抗浮結構。
2有限元模型建立
深基坑整體包括地下連續墻、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
時與土層之間有相互作用，所以針對深基坑結構的
a地下連續墻
計算分析應該建立關于地下連續墻、內支撐和土層
之間共同作用的三維整體有限元模型?？紤]到基
坑開挖對周圍土層的影響，建立土層模型時，模型
的側面邊界到地下連續墻的距離分別取為基坑開
挖范圍的3倍，在深度方向上從基坑底部向下取為
基坑開挖深度的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，即平行于開挖面
的方向)取為110m，縱向(z方向，即垂直于開挖面
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
研究對象，根據地質勘察報告，將其土層的計算模
型從上到下劃分為7層。
有限元模型計算中，地下連續墻、鋼筋混凝土
支撐采用ANsYS軟件中三維實體單元solid45來模
擬，鋼支撐采用beaml88梁單元進行模擬，土層采
用三維實體單元solid45來模擬。共劃分單元
39 760個，其中土體單元34 080個，地下連續墻單元
4 112個，鋼筋混凝土支撐單元1 328個，鋼支撐單元
240個。深基坑整體有限元模型如圖2所示，各結
構有限元網格如圖3所示。
圖2深基坑整體有限元模型
Fig．2 Finite eIement modeI of the
fbundation excavation
為簡化模型，居民樓和海懼樓本身不建立模
型，而把它們簡化為荷載，直接施加在地基對應的
b鋼筋混凝土支撐c鋼支撐
圖3有限元網格示意
Fig．3 Finite eIement meshes
萬方數據
80
． 施工技術第43卷
地面上。計算時采用的邊界條件為：計算模型的側
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，對土層在自重應力條件下進
行求解，然后對位移清零。再設置地下連續墻進行
穩定求解。在模擬開挖過程中施加各層支撐時，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，實現對各層支撐的模擬。
每層支撐是在地下連續墻變形后施加的，通過改變
節點坐標的大小來實現。抽水引起的水位變化采
用水壓力施加給地下連續墻來計算，土層開挖采用
土單元的生死功能來模擬。
3計算參數確定
地下連續墻、混凝土支撐和鋼支撐按理想彈性
材料來模擬，土層采用Dmcker-Pmger彈塑性模型來
模擬¨?。
土層的物理力學參數根據地質勘察報告選取。
其中，彈性模量根據地質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。
由于地質勘察報告沒有提供土層的泊松比，根
據土性分類并參考《土的工程分類標準》GB／T
50145—2007規定選取。土層的物理力學參數如表
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《混凝土結構設計規
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，假設混
凝土也為線彈性模型。
4深基坑開挖施工過程模擬結果分析
具體施工工序如下：
1)工況1 施工圍擋，平整場地，進行交通疏
解，破除地面和路面，施作地下連續墻，施工井點
降水。
2)工況2第1次開挖基坑至第1道鋼筋混凝
土支撐下，將混凝土腰梁與第1道混凝土支撐現澆
成整體。
3)工況3開挖土體至第2道鋼支撐下0．5m，
架設第2道鋼支撐。
4)工況4開挖土體至第3道鋼支撐下O．5m，
架設第3道鋼支撐。
5)工況5 開挖土體至基坑底，施作素混凝土
墊層、防水及細石混凝土保護層。
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
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)
萬方數據
2014 No．1 郭余根：地鐵車站明挖施工深基坑監控量測及數值模擬研究
通過圖4可知，隨著開挖的進行，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，也就是基坑逐步開挖對地
面沉降的影響比較大。從圖4還可以看到，居民樓
產生的自重荷載對基坑有很大影響，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，必須加強對居民樓附近地面的監測。
4．2鋼筋混凝土腰梁和內支撐軸向應力的變化
情況
經計算，不同工況下鋼筋混凝土腰梁和內支撐
軸向應力的變化情況如下：工況2鋼筋混凝土瞑梁
和內支撐軸向應力最大值為o．44MPa；工況3鋼筋
混凝土腰梁和內支撐軸向應力最大值為1．01MPa；
工況4鋼筋混凝土腰梁和內支撐軸向應力最大值為
1．05MPa；工況5鋼筋混凝土腰梁和內支撐軸向應
力最大值為1．2lMPa。這些應力都沒有達到混凝土
的破壞應力。
5 河埒口站居民樓附近基坑開挖過程現場監測
研究
河埒口站居民樓附近基坑屬于特大型深水基
坑，具有一定的安全風險，因此，施工中需要開展實
時監測，掌握結構的變形和受力情況，確保施工安
全；同時，通過現場監測，還可以檢驗設計的合理
性，為今后類似基坑的設計提供借鑒。針對河埒口
站居民樓附近基坑開挖過程開展了監控量測，并將
監測數據與數值模擬計算結果進行對比，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監測項目和布置位置
居民樓豎向位移監測點沿居民樓每側布置4個
測點，共計從JMLl到JML8 8個測點。居民樓附近地
表豎向位移監測點沿居民樓附近兩邊布置8個測點，
分別為JDBl一l—JDBl4 4個點和JDB2—1一JDB2—4 4
個點?；炷林屋S力監測點布置在第1道鋼筋混
凝土支撐受力較大位置，布置1個軸力測點，即zLl2
點。鋼支撐軸力監測點在第2道鋼支撐、第3道鋼支
撐受力較大的位置各布置軸力測點1個，共2個，即
zL2和zL3點，具體布置如圖5所示。
5．2數值模擬結果與現場實測數據對比分析
5．2．1居民樓豎向位移
各個工況下，居民樓豎向位移計算值與監測值
對比如表2所示，表中監測值取的是對應工況下的
平均值。
從表2可以看出，8個測點的計算值與監測值
圖5監測點布置示意
、
Fig．5 MonitOring points layOut
表2居民樓豎向位移計算值與監測值對比
Table 2 Comparison of caIculation vaIue and monitoring
valⅡe of venical dispIacement of bundings mm
結果有些誤差，但差別不大，說明建立的三維有限
元模型能夠滿足要求。
5．2．2居民樓附近地表豎向位移
各個工況下，居民樓附近地表豎向位移計算值
與監測值對比如表3所示。
從表3可以看出，8個測點的計算值與監測值
結果比較接近，隨著開挖深度的增加，無論是計算
結果還是監測結果都表明，8個測點的豎向位移隨
著開挖深度的增加而增大。
5．2．3鋼筋混凝土支撐軸力
各個工況下，鋼筋混凝土支撐軸力計算值與監
測值的對比如表4所示。
通過表4可知，鋼筋混凝土支撐的軸力變化規
律與計算結果基本一致。
5．2．4鋼支撐軸力
各個工況下，鋼支撐軸力計算值與監測值的對
比如表5所示。
4
3
，-
． ，
2
2
2
2
B
B
B
B
D
D
D
D
●
■
■
■
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眥
■
一
■
●
4
3
，_
． B
B
B
B
D
D
D
D
萬方數據
施工技術第43卷
表3居民樓附近地表豎向位移計算值
與監測值對比
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算值與監測值對比
Table 4 Comparison of calcula廿on value and monitoring
Value of axis fbrce of suppOn kN
表5鋼支撐軸力計算值與監測值對比
Table 5 Comparison of calculation vaIue and mOnitOring
value of steeI brace kN
通過對比軸力監測值與計算值可知，2道支撐
的軸力變化規律與計算結果基本一致，但監測值普
遍小于計算值。其原因可能在于：理論計算時，假
定地下連續墻與內支撐之間是緊密連接的，在內、
外壓力的荷載作用下迅速發揮功能，因此計算值大
于實測值。另外，施工過程中，地下連續墻和支撐
之間存在空隙，在荷載作用下相互壓緊后才會受
力，因此測得的支撐軸力小于理論計算值。并且在
施工監測過程中，軸力監測的應變片焊接時間有些
滯后，是在把內支撐全部安裝完畢后才焊接應變
片，導致有些軸力沒來得及測到，使得監測值偏小。
6 結語
1)通過建立地下連續墻、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
實現對基坑開挖施工過程的模擬分析。有限元計
算結果表明，無論對于地下連續墻，還是腰梁和內
支撐，強度和變形都小于容許值。由于在基坑開挖
過程中居民樓產生的荷載影響比較大，所以要加強
居民樓附近的位移監測。
2)在基坑開挖施工過程中，作用在每層內支撐
上的軸向壓應力并不是隨著開挖深度的增加而逐
漸增大，而是隨著工況推進呈波動變化的特征。
3)通過對基坑開挖的施工過程進行監測，準確
掌握了基坑在各種工況下的內力和位移，保證了在
基坑安全的情況下順利施工；同時，通過現場監測，
還可以檢驗設計的合理性。
4)內支撐軸力監測點的位置應布置在軸力較
大處，對于河埒口站居民樓附近基坑則布置在與居
民樓位置最近的內支撐上，支撐軸力的監測數據可
以作為判斷基坑整體穩定性的依據。
5)理論計算結果和現場監測數據的變化規律
基本一致，數量上也比較接近，表明理論分析時建
立的分析模型合理，參數選取可靠。分析方法可為
今后類似工程的理論計算提供參考依據。
參考文獻：
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