土岩结合地区某深基坑变形监测与数值模拟分析 方诗圣 ， 孙东晨 ， 杨仲杰 （１．合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥摘２３０００９；２．中铁四局集团有限公司技术中心，安徽合肥２３００２３） 要：青岛地铁火车站深基坑建设是在土岩结合复杂地质条件下进行的大断面基坑开挖建设。该文借以有限元分析软件，建立 基坑开挖土岩体与支护结构的数值分析模型，通过分步施工步骤进行计算分析，最终得出与实际监测相符的计算结果，验证了通 过有限元计算来预测基坑变形的可行性，并得出土岩结合地质条件下基坑变形一般规律的结论，以期能为类似工程提供一定的设 计参考价值。 关键词：土岩结合；基坑支护；有限元；变形监测 中图分类号：ＴＵ４７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—５７８１（２０１３ Ｊ０３—０３８０－０４ ０ 引 言 现场监测数据与有限元数值模拟方法得到的变形数 据进行对比，研究土岩结合地区城市地铁车站基坑工 程围护结构变形规律。 随着城市区域内土地的稀缺性加强，地下工程的 规模和数量迅速增长。深基坑支护工程施工方案与 施工质量问题日益突出，并引发了多起工程事故和人 １ 工程概况 （１）工程地质概况。本基坑处于青岛火车站附 员伤亡。尤其是在土岩结合复杂地质地区的深基坑 开挖过程中的变形，国内的研究较少，更应该引起设 计者的重视 １］。 近，前期在土岩结合地区上层采用挖机开挖，进人中风 化层后逐步改为爆破施工。主体结构坐落的基岩主要 以燕山晚期侵人花岗岩为主，部分燕山晚期侵入脉岩， 岩性为煌斑岩、花岗斑岩呈脉状穿插其间，于不同岩性 接触带见有碎裂岩；基岩上覆盖的土层为人工填土层 和粉质黏土层，其主要工程特性基本指标见表１所列。 表１地铁车站基坑地质表 青岛市处于燕山晚期花岗岩上，地质条件较复 杂。土岩结合地区是指在施工中涉及深度范围内，上 层为土层，下层为岩层的复杂地质地区［２］。 本文研究的深基坑隶属于青岛地铁３号线火车 站的深基坑明挖工程，基坑开挖处距离人流、车流拥 挤的青岛火车站较近，施工场地附近建筑密集、人口 稠密，因此影响场地无法满足放坡开挖的要求，这就 使得基坑围护结构的设计与施工问题更加的紧迫而 突出，给我国的基坑工程建设带来了许多新的工程技 术问题Ｌ３ ］。 随着计算机在大型工程模拟计算应用中的不断 推广，基坑测试技术的不断提高，使得通过计算机技 术、利用数值分析的方法对基坑开挖过程中产生的工 程问题进行计算分析的途径成为现实；而不断完善的 基坑开挖过程中的监测技术，又为基坑工程设计方法 （２）水文气象条件。施工区内的地下水类型为 基岩裂隙水（风化裂隙水、构造裂隙水），风化裂隙水 水力性质表现为潜水，主要赋存于强、中风化岩层中， 透水性弱；构造裂隙水水力性质表现为微承压水，主 和理论的完善提供了实际数据，基坑工程的设计原则 正从强度破坏极限状态向着变形极限状态控制发 展［１ 。因此，本文通过对具体工程实例的分析，通过 收稿日期：２０１３—０３—１２；修改日期：２０１３—０３—２１ 要赋存于断裂带两侧的构造影响带、细晶岩、细粒花 岗岩、煌斑岩等后期侵入的脉状岩脉挤压裂隙密集带 作者简介：方诗圣（１９６２一），男，安徽岳西人，博士，合肥工业大学教授 ３８０ 《工程与建设》２ｏ１３年第２７卷第３期 中，分布不均，富水性较差。 外的地表沉降监测点ＤＣ０９—１以及边坡水平位移监 测点ＰＷ０１－０７的监测数据进行分析。 ２基坑支护结构以及监测方案 （１）基坑支护结构方案。基坑支护结构选用预 应力锚板墙支护结构，预应力锚板墙支护结构是一种 较适合岩层基坑开挖的应用型技术［１ ，它可以充分 利用岩土层自身（或预处理）的稳定性，随着基坑的开 挖，分层铺设钢筋网，喷射混凝土，以避免土层或岩层 小的节理破碎，土层或岩层的压力传至锚杆，并由锚 杆集中受力。 本文研究的地铁车站基坑长宽尺寸相差较大，周 围地层沿车站向分布也较均匀，使用阶段结构受力以 横向为主，故沿纵向取１ ｍ宽的结构作为计算单元。 上部的土质地层部分采用１：０．５比例放坡开挖，下 部岩石部分采用垂直开挖，针对不同的地质情况采用 不同长度的锚杆和锚索，开挖面挂网喷射混凝土，地 质情况以及支护设计如图１所示。 图１基坑支护断面施工图 （２）基坑监测方案。根据现场的调查情况，重点 进行以下几项监测：地表沉降监测、建筑物沉降监测、 建筑物地表沉降监测、边坡水平位移、水压力监测、土 压力监测、地下水位监测、建筑物倾斜监测，采取日测 日汇报的原则，时时监测基坑围护的变形以及土岩体 的状况。本文研究监测点的位置及车站基坑全貌，如 图２所示。 在各项监测项目中，地表沉降监测、边坡水平位 移是考察基坑围护安全状况的重要指标，选取边坡线 图２监测点位置图 （３）基坑监测总结及分析。监测点得到的观测 数据与施工的每一阶段都有直接的关系，具体的施工 工期以及施工阶段见表２所列。 表２关键施工步骤 对整个施工中的地表沉降监测以及边坡水平位移 的累计值绘制，如图３所示。 基坑上部边坡的水平位移在土层开挖时变化明 显，随着基坑的开挖进人到岩层，水平变形趋于稳定。 观测点沉降比较稳定，与水平位移类似，当进入到岩层 开挖阶段时，沉降趋于稳定。 砸［步骤 图３基坑监测数据统计图 ３有限元模拟计算及分析 （１）基坑模拟计算模型。研究基坑１：０．５放坡 开挖７．２ ｍ，在强风化岩地质区域布置１．５ ｍ平台， 《工程与建设》２０１３年第２７卷第３期 ３８１ ㈣ （１３）：２３１—２３２． ４结束语 Ｅ４３高建华．浅谈建筑工程项目施工成本管理与控制［Ｊ］．内蒙古科 国省道升级改造项目的成本管理要以先进的管 技与经济，２００９（７）：９８～９９． ［５３王又庄．现代成本管理［Ｍ］．上海：立信会计出版社，１９９６． 理思想为载体，制定符合实际情况的科学预算，严格 ［６］刘志才，张守健，许程浩．建筑工程施工项目管理ＥＭ］．哈尔滨： 管理参与施工的各个部门，科学控制施工过程中的各 黑龙江科学技术出版社，１９９６． 个环节，提高施工人员的综合素质，在保证工程质量 Ｅ７］郝铁．加强公路施工成本管理的方法浅论ＥＪ］．黑龙江交通科 的前提下，避免浪费，把降低成本的潜力挖掘到极致， 技，２ｏ１２（１２）：１５５—１５６． 在整体上提高公路施工企业的成本管理水平。 Ｅ８３雷英夏．公路工程材料价格波动的影响及处置对策研究ＥＪ３．山 西交通科技，２００８（３）：７９—８１． ［参考文献］ Ｅ９３贾莉．建筑施工企业成本管理存在的问题及对策ＥＪ］．西部财 ［１］容信如．改扩建工程施工成本管理浅析ＥＪ］．湖南交通科技，２０１２ 会，２０１２（４）：４２—４４． （４）：１８４－－１８６． ［１０］孙茂广．工程变更在造价管理中的影响ＥＪ３．山西建筑，２００８ Ｅ２３李呈坤．浅谈建筑施工企业成本管理的必要性ＥＪ］．价值工程， （４）：２６９—２７０． ２０１２（３）：９８－－９９． Ｅｌ１３彭春莉．浅谈我国高速公路经济管理ＥＪ］．中国高新技术企业， Ｅ３３王宁．浅谈施工成本管理的任务和环节ＥＪ３．山西建筑，２０１１ ２００９（２４）：３０—３１． （上接第３８２页） 提高工程的经济性。 监测点的沉降主要是由于上部土层在受到开挖 （４）支护结构整体是偏安全的，在深基坑开挖过 扰动后引起的，实测值与计算值就能比较明显的表现 程中，在上部土层开挖时，应充分利用时空效应，减少 出这种规律。 土层在后期开挖过程中的挠动，并能保证其在下部岩 初始沉降，实测值与监测值误差较大，在数值模 层爆破开挖过程中的稳定性。 拟计算中初始地应力模拟步骤考虑了位移清零的计 （５）为了进一步提高模拟精度，充分考虑施工阶 算方法，即岩土体在开挖前认为位移已经终了，以确 段中的各种影响因素，模型参数的取值以及对施工步 保计算的准确性。施工阶段结束后的最终计算值也 骤的建立方法还需要进一步的研究。 与实测值相近，说明这种方法对计算基坑开挖最终沉 （参考文献］ 降量是比较精确的。 ［１３吴秋军，王明年，刘大刚．基于现场位移监测数据统计分析的隧 ４结 论 道围岩稳定性研究ＥＪ］．岩土力学，２０１２，３３（Ｓ１）：３５９－－３６４． Ｅ２３朱志华，刘涛，单红仙．土岩结合条件下深基坑支护方式研究 （１）通过对基坑开挖监测数据的分析，基坑的变 ［Ｊ］．岩土力学，２０１１，３２（１）：６１９－－６２２． 形均在预警值范围内，整个基坑的支护结构是安全合 Ｅ３３柳建国，程良奎．北京地区基坑支护技术的发展与工程实践ＥＪ３． 理的。 岩土力学，２００９，３０（４）：１Ｏ１３—１０１７． ［４３曾攀．有限元基础教程［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００９． （２）采用有限元模拟计算得出与相应监测点对 Ｅ５３高盟，高广运，冯世进，等．基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的 应的变形值。得到的结果与现场实测值进行了对比 变形控制研究ＥＪ３．岩土工程学报，２００８，３０（６）：８１８－－８２３． 与分析，结果表明：基坑变形的趋势大体相同，累计变 Ｅ６３郑颖人，邱陈瑜，张红，等．关于土体隧洞围岩稳定性分析方法 形值也相近，有限元计算模型的建立和参数的选取是 的探索ＥＪ３．岩石力学与工程学报，２００８，２７（１０）：１９６８－－１９８０． 合理的，可以用于基坑变形分析。 Ｅ７３刘登攀，刘国彬．邻近建筑物对某基坑变形影响的分析ＥＪ３．岩土 工程技术，２００７，２１（１）：２８—３１． （３）通过对基坑变形数据的分析，可以初步得出 Ｅ８３杨光华．深基坑支护结构的实用计算方法及其应用ＥＪ３．岩土力 以下结论：土岩结合地区的基坑累计变形主要出现在 学，２００４，２５（１２）：１８８５—１８９６． 上部土层的开挖阶段，在基坑开挖至下部岩层时，累 Ｅ９３赵锡宏，李 蓓，杨国祥，等．大型超深基坑工程实践与理论 计变形增长的速度减慢并趋于稳定，岩层部分的锚杆 ＥＭ３．北京：人民交通出版社，２００４． 设计长度递减是科学合理的，提高了工程的经济性； ＥｌＯ３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ＥＪ３．岩土力学，２０１０，３１（２）：４５６—４６１． 开挖至深基坑基底时，基底岩层的相对更加稳定，对 ［１１３韩文浩．预应力锚板墙支护技术在深基坑开挖中的应用［Ｊ］．西 植入岩层锚杆的密度和数量也可适度的减少，进一步 安建筑科技大学学报，２００３，２（１）：１２５—１２７． ４２６ 《工程与建设》２０１３年第２７卷第３期