南京古平岗地铁基坑围护结构监测及数值模拟分析.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 16 期 2023 年 8 月Vol.54 No.16 Aug.20231986南京古平岗地铁基坑围护结构监测及数值模拟分析孙 明（南京地铁建设有限责任公司，210000，南京）摘要：为了研究地铁基坑开挖变形对工程的安全性及周围环境的影响，以南京古平岗地铁站基坑围护结构监测数据为依据，结合有限元计算软件进行数值模拟分析，探讨了基坑开挖过程中围护结构桩墙的水平位移、围护结构桩顶的沉降以及基坑周边地表的沉降变形。结果表明：目前基坑围护结构桩墙的水平位移、围护结构桩顶的沉降、基坑周边地表的沉降变形的实测值与模型计算结果相符，均未超过基坑监测预警值，处于安全状态；基坑围护结构的变形向内部倾斜，最大水平位移发生在围护结构桩墙约中上部处；围护结构桩顶的沉降随时间逐渐增加，但出现几次小规模向上的反弹；地表沉降量整体趋势先增大后减小，最大沉降点发生在距离基坑约 10 m 处。关键词：地铁基坑；围护结构；监测分析；数值模拟中图分类号：U 231.3 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)16-1986-05MONITORING AND NUMERICAL SIMULATION ANALYSIS OF FOUNDATION PIT SUPPORTING STRUCTURE IN NANJING GUPINGGANG METROSUN Ming(Nanjing Metro Construction Co.,Ltd.,210000,Nanjing,China)Abstract:To study the impact of subway foundation pit excavation deformation on the safety of the project and the surrounding environment,based on the monitoring data of the foundation pit support structure of Nanjing Gupinggang metro station and combined with finite element calculation software for numerical simulation analysis,the horizontal displacement of the pile wall of the supporting structure,the settlement of the supporting structure,and deformation of the surrounding ground surface of the foundation pit were discussed during the excavation of the pit.The results show that the current horizontal displacement horizontal of the pile wall of the supporting structure,the settlement of the supporting structure,and deformation of the surrounding ground surface of the foundation pit are consistent with the calculation results of the model,which didnt exceed the monitoring and early warning value of the foundation pit,indicating that it is in a safe state.The deformation of foundation pit supporting structure is inclined to the inside,and the maximum horizontal displacement occurs at about the middle and upper part of the supporting structure.The settlement of the supporting pile gradually increases with time increasing,but there are several small-scale upward rebounds.The overall trend of surface settlement is to increase first and then decrease.And the maximum settlement point occurs at about 10 m away from the foundation pit.Keywords:subway foundation pit;supporting structure;monitoring analysis;numerical simulation随着城市化进程的加快和城市建设用地的紧张，地铁等地下交通工程的修建正如火如荼地开展。由于极易受到复杂的城市环境和地质水文条件的影响，地下基坑开挖是地铁建设过程中一项极具挑战性的工程。根据现有规范可知，开挖深度超过 5 m 的基坑被看作深基坑1。目前，绝大部分地下建筑基坑是深基坑，并呈现出“深、大、复杂”的特征趋势23。例如：宁波腊梅路地铁基坑深 19.21 m；国家大剧院的基坑平均开挖深度 26 m，局部开挖深度达到 32.6 m；上海汉中路地铁基坑开挖深度已达 33 m。围护结构的变形和周边建筑物的影响，容易导致体系变形过大、结构局部失稳，引发基坑工程安全事故，进而导致地铁存在安全隐患和影响施工进度。因此，为了保证基坑工程和地铁站的安全，在基坑开挖过程中对围护结构桩墙变形的实时监测和模拟变得尤为重要。目前，已有部分学者开展了相关的研究，任建喜等4以北京地铁奥运支线森林公园南门站北区基坑工程为例，分析了基坑围护结构变形规律，得出增加围护桩能够明显改善基坑的水平位移。孙凯等5基收稿日期：20230622作者简介：孙明（1973），男，江苏南京人，工程师，e-mail:.2023 年 8 月1987孙明：南京古平岗地铁基坑围护结构监测及数值模拟分析于湖南大厦现场监测数据对深基坑支护方案进行合理性的论证，并采用软件对基坑施工进行了动态模拟。刘杰等6研究了地铁基坑围护结构的水平位移随深度的变化规律，并建立了弹塑性有限元模型。姜忻良等7依据天津铜锣湾广场基坑开挖，讨论了支护结构内力、基坑周边土体水平位移和现场监测数值模拟分析。鉴于此，本文依托南京地铁 7 号线古平岗站深基坑工程，考虑到拟建基坑周边地理条件的复杂性，其主体结构横跨模范中路，西侧为虎踞北路，上侧有古平岗高架桥。在实际土方开挖施工过程中，产生的振动易使周围路桥产生较大的沉降与变形，施工风险较大，必须在施工过程中通过实时监测变形，实现对地铁基坑地表沉降和变形的控制，从而安全高效地完成地铁车站的基坑工程。1 工程概况及水文地质条件1.1 工程简介该基坑位于南京虎踞北路与模范中路交叉口东侧，为南京地铁 7 号线古平岗地铁站二期基坑（120轴），基坑标准段开挖约 19.44 m，坑底位于 J12x2层强风化岩土中，采用明挖法开挖。主体围护主要采用钻孔灌注桩+内支撑的形式进行基坑支护，止水结构采用单重管高压旋喷桩，将其与钻孔灌注桩进行咬合，桩长 25 m。1.2 工程地质基坑土质主要为粘性土，基岩埋深南浅北深，场地岩土层分布变化较大。各土层物理力学指标系数见表 1（其中，“（）”内为经验值）。1.3 水文条件基坑场地内无地表水，根据现场水文勘察，本场地地下水主要包括孔隙潜水和基岩裂隙水。场地填土层及坳沟范围内新近堆积土层中存在孔隙潜水，富水性弱，大气降水渗入是其主要补给源；岩层顶部风化裂隙存在基岩裂隙水，由上部含水层供给。根据当地类似工程经验，该场地地下含水量小，对混凝土及其内部钢筋腐蚀性较小，对工程影响不大。在该工程中，将高压旋喷桩作为基坑的止水帷幕。2 基坑变形监测结果分析为了基坑开挖的安全和地铁工程的顺利完工，本工程基于基坑监测数据，重点分析了该基坑开挖过程表 1 各土层物理力学指标系数层号名称重度/（kN/m3）粘聚力C/kPa内摩擦角/（）泊松比变形模量/MPa 1 杂填土205250.294.20 2 素填土1912100.384.50 3 淤泥质填土18.58100.414.90 1b23 粉质粘土19.525.5624.800.335.60 2b34 粉质粘土18.515.3124.720.383.88 3b23 粉质粘土19.525.7824.870.36.15 1b2粉质粘土19.036.824.330.294.80 3b12 粉质粘土19.750.5328.420.268.45 4e 含卵砾石 粉质粘土（20）（20）（25）（0.24）（12.80）J12x1 全风化岩19.420200.2910.00J12x2 强风化岩（23）（10）（30）0.2425.00J12x3a 中风化岩（破碎）24.7（100）（35）0.2230.00J12x3 中风化岩25.537042.80.21 473中围护结构桩墙的水平位移、围护结构桩顶的沉降以及基坑周边地表的沉降变形。2.1 基坑围护结构桩墙水平位移分析围护结构桩墙水平位移监测共设 25 个点，本工程选取 ZQT24 和 ZQT35 2 个有代表性的监测点进行监测数据分析。此外，本工程假定若水平位移量为正，则表示围护结构变形指向坑内；相反，若水平位移量为负，则表示围护结构变形指向坑外。根据基坑第一阶段开挖施工监测数据，得到不同工序下围护结构桩墙深层水平位移的变形规律，如图1所示。其中，工序1、3、5分别表示开挖深度1.05 m、6.30 m、9.90 m，而工序 2、4 表示开挖后的加撑。由图 1 可知，当基坑开挖时，基坑围护结构桩墙的水平位移量整体为正值，表明基坑围护结构变形向坑内倾斜。此外，围护结构桩墙水平位移曲线呈抛物线型，两端变形较小，而中间处变形量较大。最大变形点为ZQT 35 地表以下约 10 m 处，最大变形量约 18 mm，该值小于基坑监测预警值（30 mm），说明基坑目前处于安全状态。2.2 基坑围护结构桩顶沉降变形分析与围护结构桩墙水平位移相同，围护结构桩顶沉建 筑 技 术第 54 卷第 16 期19880510152025围护结构桩墙埋深/m0 2 4 6 8 10 12 14 16 18围护结构桩墙水平位移/mm工序 1 工序 2 工序 3 工序 4 工序 5(m)0510152025围护结构桩墙埋深/m0 2 4 6 8 10 12 14 16 18围护结构桩墙水平位移/mm工序 1 工序 2 工序 3 工序 4 工序 5（a）（b）图 1 不同监测点基坑围护结构桩墙水平位移（a）ZQT24；（b）ZQT35降变形监测共设25个点，选取ZQC 24和ZQC 35 2个监测点进行监测数据分析。根据基坑开挖第一阶段现场监测数据，得到围护结构桩顶沉降变形规律，如图2所示。01234567围护结构桩顶沉降/mm20201030202012112021012220210305ZQC 24 ZQC 35监测日期图 2 不同监测点围护结构桩顶沉降监测数据由图 2 可知，各监测点整体沉降变化趋势保持一致，但沉降值存在一定差异性。在基坑开挖过程中，随着基坑开挖深度增加，围护结构桩顶逐渐向下沉降，但在开挖过程中，围护结构桩顶沉降也会出现几次小规模向上反弹的情况。在基坑开挖前期，即第一层土体开挖期间，围护结构桩顶沉降呈缓慢下降趋势，沉降最大的点为ZQC 35，位于基坑南端，最大沉降量约为 1.2 mm。但当第一层土体开挖完成后，开始架设第一层混凝土支撑时，在混凝土养护期间，围护结构桩顶沉降会发生少量的回弹。之后随着基坑不断开挖，围护结构桩顶再次产生沉降，变形趋势与第一层土体开挖时类似。在基坑完成第二层开挖，架设第二道钢支撑时，围护结构桩顶再次出现小量回弹，回弹幅度最大约为1 mm。在这之后，随着基坑不断开挖，围护结构桩顶也不断发生沉降，但在每一层土体开挖结束、架设支撑时，围护结构桩顶都会发生小规模回弹，直至开挖结束。围护结构桩顶沉降最大的点为 ZQC 35，最大变形为 6 mm，小于监测预警值（30 mm），说明基坑目前处于安全状态。2.3 基坑周边地表沉降变形分析基坑周边地表沉降变形监测共设 110 个点，分布在基坑周围位置，依据监测点距离基坑位置的远近，选取 DB 23、DB 31、DB 32 这 3 个有代表性的监测方向进行监测数据分析，每个方向有 45 个监测点，每个监测点相隔 45 m。根据目前已有的开挖第一阶段的监测数据，得到不同监测点基坑周边地表沉降的变化规律，如图 3 所示。图 3 中假定地表竖向位移量为负值，代表周边地表向地下发生沉降。50510152025周边地表沉降/mmDB231 DB232 DB233 DB234 DB235 DB311 DB312 DB313 DB314 DB315 DB321 DB322 DB323 DB3242020111020201208202101052021020220210302监测日期图 3 基坑周边地表沉降累计变化时程曲线 由图 3 可知，随着基坑的不断开挖，各监测点也在不断发生沉降，沉降整体趋势保持一致，都随着基坑不断向下开挖缓慢增长。此外，各方向的地表沉降整体趋势为先增大后减小，超过基坑开挖深度以外的点位沉降较小，可忽略不计。2023 年 8 月1989孙明：南京古平岗地铁基坑围护结构监测及数值模拟分析例如：DB321 的沉降为 13 mm，DB322 的沉降为 17.4 mm，DB323 的沉降为 11 mm，DB324 的沉降为 4.7 mm。其中，最大沉降点为 DB312，沉降为 25.34 mm，小于监测预警值（40 mm），说明基坑目前处于安全状态。3 数值模拟数值模拟能够有效模拟基坑开挖全过程，为基坑的设计和变形预测研究提供参考依据。本工程借助 ABAQUS 有限元软件，通过计算得到相应的模拟数值，对比现场的实测数据，分析基坑的变形规律，验证模型的合理性。3.1 基坑围护结构桩墙水平位移模拟基坑开挖第一阶段围护结构桩墙水平位移如图 4所示。+1.575E02+1.447E02+1.320E02+1.193E02+1.066E02+9.391E03+8.120E03+6.849E03+5.578E03+4.307E03+3.036E03+1.765E03+4.938E04图 4 基坑开挖第一阶段围护结构桩墙水平位移由图 4 可知，在基坑开挖第一阶段后，围护结构桩墙的水平位移是十分明显的。在刚开挖土体时，围护结构桩墙水平位移都出现在顶部，随着基坑不断开挖，最大水平位移也逐渐下降，最后出现在围护结构桩墙的中上部位，上下部分变形都较小，未架设支撑部位变形要小于架设支撑部位变形。图 5 为基坑开挖第二阶段围护结构桩墙水平位移。由图 5 可知，在基坑开挖第二阶段，围护结构桩墙的变形规律基本与第一阶段相同，最大水平位移发生在围护结构桩墙约中上部处。+1.996E02+1.510E02+1.025E02+5.396E03+5.432E04 4.310E03 9.163E03 1.402E02 1.887E02 2.372E02 2.858E02 3.343E02 3.828E02图 5 基坑开挖第二阶段围护结构桩墙水平位移但因为该基坑围护结构桩墙左侧设置角撑，而右侧没有设置角撑，因此右侧桩墙最大变形发生在上部且明显大于左侧变形。随着基坑不断开挖，变形逐渐稳定。第二阶段开挖范围更大，因此，围护结构变形更大。3.2 基坑围护结构桩顶沉降模拟图 6 为基坑开挖完成后围护结构桩顶沉降。由图6 可知，在基坑开挖完成后，整个围护结构会发生不均匀沉降，沉降差异较小，围护结构桩顶位移最大约为 16 mm，发生在围护结构右上角。由于该围护结构右侧没有设置角撑，而最小位移约为 9 mm，造成围护结构桩顶沉降的原因是，基坑开挖时会引起土体应力释放，使周边土体向基坑内部倾斜并发生固结沉降，造成土体挤压围护结构桩墙。9.777E03 1.036E02 1.093E02 1.151E02 1.209E02 1.267E02 1.325E02 1.383E02 1.441E02 1.499E02 1.556E02 1.614E02 1.672E02图 6 基坑开挖完成后围护结构桩顶沉降3.3 基坑周边地表沉降在基坑开挖两个阶段完成后，基坑周边地表沉降如图 7 所示。从图 7 可知，在整个开挖过程中，基坑周边地表会发生不同程度的沉降。当基坑开挖至中期，第一阶段开挖完成时，墙后土体变形明显发生变化，沉降范围和沉降幅度也随之变大，开挖区域最大沉降约 21 mm；当全部开挖完成后，基坑周边地表沉降达到最大值 27.1 mm，监测预警中地表沉降的控制值为40 mm，说明基坑处于安全状态。+1.053E01+9.470E02+8.410E02+7.350E02+6.290E02+5.230E02+4.170E02+3.110E02+2.050E02+9.901E03 6.989E04 1.130E02 2.190E02+1.050E01+9.395E02+8.292E02+7.188E02+6.085E02+4.982E02+3.878E02+2.775E02+1.672E02+5.685E03 5.348E03 1.638E02 2.741E02（a）（b）图 7 基坑第一阶段和第二阶段开挖完成后周边地表沉降（a）第一阶段；（b）第二阶段建 筑 技 术第 54 卷第 16 期1990由此可见，随着基坑不断向下开挖，周边地表的沉降也会不断变大。此外，可以看出沉降主要发生在基坑开挖深度的12 倍内，距离基坑更远的地方变形量较小，可忽略不计。由于基坑右边没有设置角撑，此处的围护作用效果不如其他设置角撑的地方，因此该处墙后土体变形较大，产生的竖直沉降也最大。4 结论根据南京古平岗地铁基坑的地质水文条件，结合现场监测数据和数值模拟分析，得到如下结论。（1）基于基坑开挖实测数据，基坑围护结构桩墙的水平位移整体为正值，表明基坑围护结构变形向基坑内部倾斜；数值模拟发现最大水平位移发生在围护结构桩墙约中上部处，相比开挖第一阶段，开挖第二阶段围护结构桩墙变形更大。（2）随着基坑开挖深度增加，围护结构桩顶随时间逐渐向下沉降，实际监测过程中围护结构桩顶沉降也会出现几次小规模向上的反弹；数值模拟表明围护结构桩顶位移最大约为 16 mm，发生在围护结构右上角，模型与实测结果相符合，满足要求。（3）各方向的地表沉降整体趋势为先增大后减小，最大沉降点在距离基坑约 10 m 处，在超过基坑开挖深度以外的点位沉降小；当全部开挖完成后，基坑周边地表沉降达到最大值 27.1 mm，监测预警中地表沉降的控制值为40 mm，说明基坑处于安全状态。参考文献1 建筑基坑支护技术规程:JGJ 1202012S.2 李彦君,卜飞.邻近地铁站的深基坑支护方案及变形监测分析 J.建材技术与应用,2021(6):1720.3 闫建,张武,姚晓旭,等.北京某深基坑桩锚支护结构监测与分析J.施工技术(中英文),2021,50(19):7983.4 任建喜,冯晓光,刘慧,等.地铁车站深基坑围护结构变形规律监测研究 J.铁道工程学报,2009,26(3):8992.5 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(2):293298.6 刘杰,姚海林,任建喜.地铁车站基坑围护结构变形监测与数值模拟 J.岩土力学,2010,31(S2):456461.7 姜忻良,宗金辉,孙良涛.天津某深基坑工程施工监测及数值模拟分析 J.土木工程学报,2007(2):7984,103.