刘伟江
河北建设勘察研究院有限公司 河北省 050000
摘要：深基坑围护结构的变形对施工的安全稳定至关重要。通过对现场施工过程围护结构桩体的位移进行监测，再基于有限元 ABAQUS“生死”单元的定义，对深基坑开挖、支护的施工过程进行模拟计算，最后对比分析桩体结构变形的监测和模拟计算结果。
关键词：深基坑；围护桩；地铁车站；数值模拟
引言
我国经济发展迅速，致使城市交通压力日益加剧，为缓解交通压力，不断加大地下空间的开发与利用成为趋势，地铁建设成为解决交通拥堵问题的重要手段。地铁车站深基坑工程是地铁施工工作的重点和难点，在基坑面积不断扩大、深度不断增加的情况下，深基坑开挖与支护已经成为地铁建设的热点问题。随着基坑工程监测技术的不断发展以及计算机技术的不断应用，利用数值计算方法来解决基坑开挖产生的工程问题已经越来越多。
一、深基坑围护及位移监测方案
本文重点研究剖面 1-1 西侧 CX1 测点桩身的水平位移变化情况，该截面处基坑开挖最大宽度为 30.7m，开挖深度为 18.81m，在地面下 1.5m 进行摘帽处理，挂网喷锚围护，以下采用钻孔灌注桩，采用锚索和钢支撑系统。
该截面围护结构和位移监测方案如下：（1）CX1 和 CX2 两测点处围护桩为φ800@1200，桩长为 23.3m，测斜管沿桩身通长绑扎，每隔 0.5m 设置水平位移监测点一个，但是由于施工原因，测斜管下端堵塞，CX1 的量测深度为 18.0mCX2 的量测深度为 12.0m。（2）截面 1-1 上基坑西侧 CX1 处的MS5 设在冠梁位置，长度为 33.0m，自由段长 11.0m，锚固段长 22.0m，锚固体直径为 200mm，水平倾角为 20o，钢绞线 3×7φS15.2，砂浆 M20，拉力设计值为 506.8kN，拉力锁定值为 430kN，实测 MS5 的预加拉力为 210kN。
二、平面 FLAC 计算
（一） 计算范围的确定及网格划分
计算边界范围的大小对数值计算结果精度有很大的影响。一般研究区域选开挖尺寸的3～5 倍最为合理，既满足求解精度要求，也满足计算速度要求，所以，选取 120m×70m（长×宽）的区域建立 FLAC 计算模型。
（二）FLAC 计算模型边界条件
由于深基坑周围地表没有固定超载，考虑到深基坑边缘随机发生的施工堆载、车辆行驶动载等因素，施加均布超载 q =15kPa；在左右两侧边界施加法向约束，在下侧边界施加法向和切向双向约束。
（三）本构模型的选取
采用空模型模拟土方开挖，土体采用 Mohr-Coulomb 模型，梁结构单元模拟钢支撑，索结构单元模拟锚索，桩结构单元模拟围护桩。
（四）地下水模拟方案
由于车站场地在基坑开挖前已经进行了系统的降水处理，所以在 FLAC 模拟计算中，没有考虑地下水对深基坑变形规律及其稳定性的影响。
三、围护桩水平位移 FLAC 计算结果与监测结果对比
分析以下 4 个关键施工步骤完成以后深基坑的变形情况。第（1）步：开挖深度为 2.0m，施作锚索、第一层钢支撑；第（2）步：开挖深度为 7.0m，施作第二层钢支撑；第（3）步：开挖深度为 13.0m，施作第三层钢支撑；第（4）步：开挖深度为 18.81m，土方开挖完成。分析 CX1 测点桩身水平位移变化情况，并且和监测结果进行比较分析。监测结果和计算结果对比监测结果和计算结果比较接近，变化趋势一致，说明模型建立、参数选取以及计算方法是合理的，计算结果能够明确地体现基坑变形的一般规律。
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四、围护结构变形与内力的影响因素 FLAC 分析
影响围护结构内力与变形的设计影响因素很多，这里主要研究锚索预加拉力、钢支撑位置、钢支撑型号的影响。
（一） 锚索预加拉力
在实际施工时，测得 MS5 的初始拉力为 210kN，由于锚索布设间距为 3.0m，所以，应用该模型进行数值模拟时，锚索的预加拉力为 70kN。保持三层钢支撑的位置和预加轴力等所有条件不变化，只变化锚索的预加拉力。包括以下四种工况：工况 1：没有锚索；工况 2：锚索预加拉力为 0kN；工况 3：锚索预加拉力为 70kN；工况 4：锚索预加拉力为 140kN。桩顶位移的大小直接影响着围护结构的安全，保持桩顶位移向基坑外侧适当发展有利于基坑的安全。没有施作锚索的情况下，桩顶向基坑内的水平位移最大，从没有锚索到锚索预加轴力为 140kN，桩顶水平位移有显著变化，由向基坑内侧发展到向基坑外侧。在三层钢支撑的共同作用下，增大锚索预加拉力以后，由桩顶至 11.0m 深度范围内桩身水平位移受到影响较大，以下部分变化不大。
显然，施作预应力锚索对基坑围护结构的变形有很好的控制作用，但是预加拉力不能过大，因为随预加拉力的增大，桩身要承受的正向弯矩明显增大，特别是第二层钢支撑以上部分，这样对围护桩的抗弯性能要求更高。因此，对变形要求严格的工程中，在设计允许范围内通过加大锚索预加轴力的方法来减小变形是一个行之有效的方法，但也要相应地增大围护桩的截面和刚度来提高其抗弯性能。
（二） 钢支撑位置
为了更好地研究钢支撑的位置对围护结构变形的影响，在原来模型的基础上去掉锚索，只采用围护桩和三层钢支撑的组合围护方式。为了研究钢支撑位置不同的影响，设计了两种工况：工况 5：保持各层钢支撑竖向间距不变，整体调节各层钢支撑的竖向位置；工况 6：保持第一层和第三层钢支撑竖向位置不变，调节第二层钢支撑的竖向位置。
五、数值模拟分析
（一） 模型建立
采用 ABAQUS 中的单元生死来模拟基坑的开挖过程。为满足求解精度要求和计算速度要求，根据圣维南原理，选取研究区域为基坑开挖尺寸的 3~4 倍，建立ABAQUS 计算模型。
（二） 计算结果分析
基坑在施工过程中影响其变形的因素有很多，导致监测和模拟计算结果有一定的差距，实测位移比数值模拟结果偏大，这是因实际施工中还受到基坑外地表的人为、车辆、降雨、施工机械、时空效应等因素的影响，但明显得出两者的总体变形规律一致。
由上述分析可得，虽然监测结果和计算结果在数值上存在一定差异，但是总体的变化趋势基本相同，且监测值明显小于安全警戒值。这说明本设计的模型建立、参数及计算方法的选取是合理的，计算结果能够比较明确地体现基坑变形的一般规律，工程设计安全。
六、结语
通过对地铁深基坑现场监测实测数据分析，在工况 1、2、3 中，随着基坑开挖深度的增加，钻孔灌注桩最大水平位移截面不断下降，在工况 4、5、6 中，钻孔灌注桩最大水平位移截面相对明确，且变化趋势相近。基坑围护桩最大变形在总埋深的 1/2 至 2/3 处，施工过程中围护结构的控制变形值满足设计要求，表明该基坑工程依设计施工安全合理。因此，可认为数值计算手段可为基坑工程提供相应的理论数据及指导以及基坑工程情况的预测分析。
参考文献：
[1]刘晓松.郑州某地铁站围护桩变形实测与数值分析[J].工程建设与设计,2018(07):124-126.
[2]谢贻军,童林浪,马光辉,杜丽娟.深基坑围护结构设计分析与紧邻地铁站变形研究[J].城市住宅,2015(01):97-102.
[3]刘海波.地铁站围护桩的内力和变形的影响因素[J].建筑,2012(09):74-75.
论文作者:刘伟江
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/4
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