某地铁深基坑桩撑支护结构施工力学行为分析

平位移最大值为10.51 mm,小于30 mm的控制值,这说明咬合桩+钢支撑的支护结构可以有效地控制兰州特 殊红砂岩地层基坑位移;(3)随着基坑开挖和支护的持续进行,桩身的前倾型变化曲线逐渐成为“鼓肚”形,最

大测斜值为10.56 mm,发生于2/3倍的开挖深度附近；(4)随着基坑的不断开挖，周边建筑物距离车站越远，

其竖向沉降位移越小；(5)基坑周边的最大沉降发生于距离基坑边缘1/3倍坑深处；(6)本研究成果可为兰州 地区类似特殊地层地铁深基坑的设计与施工提供指导。关键词：地铁深基坑;粧撑支护；数值模拟;现场监测;施工力学

中图分类号:TU473 文献标识码:AConstruction Mechanics Behavior Analysis of Pile - strut Supporting Structure of a Subway Deep Foundation PitZHOU Yong, WANG Huijun, ZHU Yanpeng(Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province, Lanzhou University of

Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China)Abstract: Research purposes: The special red sandstone formation seriously affects the construction safety of deep

foundation pit in Lanzhou subway station. Therefore, it is urgent to study the construction mechanical behavior of deep foundation pit in the complex environment of special red sandstone. In this paper, based on the site monitoring results

and numerical calculation model, taking the pile - strut supporting structure of Lanzhou Metro Line No. 1 Dongfanghong

Square Station deep foundation pit as the engineering background, the law of displacement variation of retaining

structures, surrounding buildings and surface subsidence is analyzed comparatively.Research conclusions ： ( 1 ) The results of numerical simulation and field monitoring by comparative analysis indicate

that the results are close and have the same change trend, which shows that the results of the analysis to foundation pit excavation supporting by using the birth and death element method can provide effective guidance for the design and

construction of deep foundation pit. ( 2 ) The maximum value of horizontal displacement pile tip monitored on site is

10. 51 mm and is less than the control value of 30 mm, which indicates that the supporting structure of occlusal pile and

steel support can effectively control the displacement of Lanzhou special red sandstone formation foundation pit. (3 ) As foundation pit excavation and supporting continues, the forward heeling curve of pile body gradually becomes the shape*收稿日期:2018 -07 -03

基金项目：国家自然科学基金项目（51568042）I作者简介:周勇，1978年出生，男，教授，博士生导师。

第1期周勇王惠君朱彦鹏:某地铁深基坑桩撑支护结构施工力学行为分析87of \" drum belly\" and the location where the maximum measured slope value is 10. 56 mm is located near 2/3 times the

depth of the excavation. (4) With the continuous excavation of foundation pit, the vertical settlement displacement of

the surrounding buildings decreases with the further away from the station. ( 5 ) The maximum settlement around the foundation pit located 1/3 times the depth of the pit. (6) The research result can provide guidance for the design and

construction of subway deep foundation pit of similar special stratum in Lanzhou.Key words: subway deep foundation pit； pile - strut supporting； numerical simulation； site monitoring； construction

mechanics自21世纪以来，随着我国城市化进程不断加快, 对于用地日益紧张的城市，地下空间充分开发已成为

一种必然趋势。然而，城市轨道交通地下空间的开发

坑设计与施工，可供参考的成果却不多。目前,支护结构与土体的相互作用研究处于发展

阶段，基坑开挖的理论计算模型和支护结构的工作机

理还不完善，一般很难通过解析的方法来求解基坑开

都面临着深基坑工程问题。由于地铁深基坑通常位

于密集城市中心，紧邻建筑物、交通主干道及各种地下

管线等，其规模和深度也在不断加大，周期变长、过

挖过程中的施工力学问题。然而，数值模拟分析和信 息化监测为上述问题的解决提供了有效工具⑻。因

程愈发复杂，施工场地紧张、施工条件复杂、工期紧 迫⑴。因此，如何安全、经济、有效地选择合理的基坑

开挖流程和方式是地铁深基坑工程要解决的关键问

此，本文以兰州地铁1号线东方红广场站为工程依托, 研究兰州特殊红砂岩地层深基坑施工力学行为，为后 续两者的耦合研究提供分析依据。题。目前,由于深基坑工程的设计处于边实践边摸索

阶段，大多应用半理论半经验的方法，深基坑事故时有

发生，特别在一些特殊地层复杂条件下，工程事故屡见 不鲜，严重制约了深基坑工程的发展⑷。而深基坑支

1工程概况1.1车站概况东方红广场站是兰州地铁1、2号线的换乘车站， 该站为地下两层双岛四线式车站，为三柱四跨箱形 框架结构，局部采用单层结构形式。车站主体长度

护结构的施工力学分析可以获得基坑开挖、支护全过

程的信息,对深基坑工程的设计与施工有较大的指导

意义。683. 10 m,标准段宽41.30 m,最大宽度52. 24 m,总高

基坑设计中,不但要考虑支护结构本身，同时也涉

及其施工与形成过程中不同阶段中间产物及其动态与 相互影响的问题⑶。因为围岩的稳定性不仅与最终

14.04 m,基坑深度17-22 mo车站主体采用明挖顺

作法施工，围护结构采用机000@ 1 600 mm的C35钢

状态相关，还与过程相关。这就需要对基坑工程施工

力学行为做分析研究。目前，已经有学者对施工力学 进行了相关研究[4-7]o比如：曹志远⑸提出了施工力

筋混凝土灌注桩和C15素混凝土桩单排咬合桩结 构，咬合深度为20 cm,咬合止水深度为底板以下2 m 至砂岩层顶。车站标准段内支撑采用一层钢筋混凝 土支撑+二层钢支撑(局部优化方案)，钢支撑壁厚

学分析的研究方向，并结合工程实践说明了研究的重 要性;朱明亮等⑹采用基于向量式有限元的施工力学 分析方法，模拟了大跨钢结构的施工过程。在深基坑

开挖过程中，展开不同路线对地下应力场和地面沉降

16 mm,支撑水平间距3.0 m。1.2地质条件车站地貌单元属黄河I级阶地。在基坑开挖范围 内，建筑场地地层主要由第四系全新统人工填土

变化规律研究，能有效保证深基坑安全合理地施工。 但是对兰州特殊地层地质复杂条件下的地铁车站深基

(Q\"、冲积卵石(Q?)及第三系古-始新统(E,_2)砂

岩组成。各土层的力学指标参考表1中的建议值。表1地层的力学指标土层编号①②③岩石名称厚度/m0.5 〜4. 72.0-17.2重度y /(kN/m3)黏聚力 c/kPa内摩擦角3(°)泊松比V渗透系数K/( m/d)1030杂填土1823.318. 1210150.39卵石强风化砂岩10270.230.22揭露最厚33. 638.32.81.3水文条件

据东方红广场区域的勘察资料显示，含水层大多

是相对隔水层，砂岩顶部可能存在局部裂隙水。场地地下水静止水位为3.60 -5.00 m,相应水位标高为1 512.49 - 1 513. 14 m。是卵石层，潜水含水层达到17.00 m厚,卵石下的砂岩

8814场地环境铁道工程学报2019年1月1 4.1既有道路2基坑监测方案2.1监测项目依据兰州地铁1号线东方红广场站《基坑监测平 面图》显示,监测项目工作量较多，本文仅对桩顶水平

东方红广场站沿庆阳路东西向布设，位于平凉路与

金昌路之间，起点里程为YCK 26 + 144.726,终点里程

为 YCK 26 + 0. 043,中心里程为 YCK 26 + 479. 294。 庆阳路规划道路红线宽度为50 m,目前道路宽度21 m,

位移、桩体倾斜、建筑物竖向沉降和地表沉降进行了监

为双向4车道，并且庆阳路是兰州市东西方向的城市

测结果分析。主干道之'01 4.2周边建筑物车站地理位置位于城关区东方红广场，周边建筑

2.2监测点布置基坑标准段监测断面图和监测点平面示意图分别

如图1、图2所示。物密布，且距离车站主体结构较近。其中基坑西南角

为数码大厦，地下有两层，为筏板基础，埋深为10 m； 南侧紧邻兰州市供电局城关分局、华瑞大厦、兰州体育

馆、东方红广场和国芳百货购物广场等;北侧邻接市电

信局、省厅、市广播电视局驻地以及在建天鸿金运 城市综合体等。1.4.3地下管线车站所处位置庆阳路及两侧均有管线分布，道路 及两侧主要有天然气、给水、路灯、雨污水、电信等管

线，尤其十字路口各种管线交叉、分支非常多。CX05® CX06*C11CDC06® GY5-06 ® C08® C09® C10W11®SW04@ 品弼D蟲孵V識:W10®GY5-10t

图1基坑监测断面图CX07①

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c 13SW09畀際DB歸D站B05-01JDB06-01 ▼ DB07-0IV GY5-08® ' B09-01 ▼ DBIO-OPYW 混凝土¢.1200庆阳路DB76—01禺喘(迅GW2-O8® DB75-01 申76® GW3-O3永久迁改DN1000污水管俪駕储 gw_07®CX39®GW-O5®W4O@c76(D

C73® SW38©；3^ C71® CX37®C69ni73ffR71-01^S W7@ SW37@ C70®QW 71 01 -----------DB7M1V W70® DB68-01|理工大学水池位DB69-01 ▼DB73-01T DB72-02TDB73-02VDB71-02t DB70-02・ db69-02・ DB68-02T DB6?-02 物业开发排风亭 活塞风亭J-6XDB-0?65^GY4-01DB66-02

DB65-02 DB二02图2监测点平面示意图2-3监测内容及方法

依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012),

行以及周边环境的安全,制定了具体的监测内容及方法，如表2所示。基坑重要性系数取为1. 1,为确保基坑施工的顺利进表2监测内容及方法监测项目监测位置监测精度1.0 mm1.0 mm监测仪器监测频率开挖0 ~5 m.l 次/2 d；5 ~10 m,l 次/1 d；10 m以上,2次/1 d控制值min(30 mm, 0. 3%H)min(45 mm, 0. 5%H)桩顶水平位移桩体倾斜桩顶部经纬仪测斜仪桩内建筑物四角开挖过程中24 h监测，开挖完毕后1次/1 d,浇筑完地板后1次/2 d开挖初期1次/1 d,开挖完成1次/2 d开挖初期1次/1 d,开挖完成1次/2 d建筑物沉降地表沉降1.0 mm1.0 mm水准仪60 mm25 mm基坑周围地面水准仪注：H为基坑深度。第1期周 勇 王惠君 朱彦鹏:某地铁深基坑桩撑支护结构施工力学行为分析3基坑变形监测数据分析3.1桩顶水平位移桩顶水平位移是评价支护结构安全状况的重要指 标。通过监测桩顶水平位移，适时调整开挖速度、开挖 流程,确保围护结构安全。桩顶水平位移监测数据如 图3所示。在基坑开挖施工中，随着坑内土体的去除,使得坑 壁的法向约束消除。由于土压力的作用，围护结构的 桩顶在外力作用下逐渐向坑内发生位移。该位移随着 开挖深度的增加而增大，沿基坑周边不均匀分布。由 图3可知，测点W06的最大位移为10. 83 mm,W08的 最大位移为8. 86 mm,W10的最大位移为8. 30 mm,然 而测点W06.W08.W10距离围护结构的支撑依次渐 近,说明围护结构的圈梁和支撑对桩顶水平位移有着

显著的约束作用；测点W12的最大位移为10.51 mm 且为负值,这是预应力的增加使桩顶向坑外侧移动造 成的，这表明开挖阶段的水平位移还与内支撑预应力 的施加有关；其他桩顶位移量较小，均低于规范的

0.3%H的控制值。总之，基坑开挖过程中，桩顶水平 位移的变化与开挖深度和圈梁、支撑均有关，并且存在 较为明显的时空效应。10EE

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.施工日期图3桩顶水平位移曲线3.2桩体倾斜桩体测斜是通过了解桩身位移状况、倾斜程度，来

判断围护结构安全度的重要观测手段。本文选取监测

结果较好的CX05监测点来分析桩体倾斜.如图4所

示,正值表示向坑内位移，负值表示向坑外位移。由图4可知，在基坑开挖初期，桩体水平位移变化 较小，基本为负值，向坑外侧移。随着开挖的继续，桩

体向坑内方向侧移,但总是先开挖后支撑，即桩体在钢 支撑安装之前就已经发生了变形，所以在支撑安装之

后桩身水平位移显著减小。测点CX05桩身倾斜随时 间和工程推进越来越大，距离桩顶2 m的范围内，测

斜变化趋势比较稳定，之后迅速发展，至距离桩顶2/3深度/m图4 CX05桩身测斜变化曲线左右时测斜达到最大值，随后以低于上升速度的速率

下降，桩底测斜一直在0上下微小波动，可忽略。6月

1日围护桩的最大位移为2. 81 mm,发生在5 m左右;随

着开挖的进行,6月18日围护桩的最大位移为6.4 mm, 发生在8. 5m左右;7月16日围护桩的最大位移为

10. 56 mm,发生在12m左右;8月14日围护桩的最大

位移为4. 47 mm,发生在14 m左右。在这个过程中,

围护桩身侧向位移向基坑内凸起，呈现“鼓肚”形状,

最大位移出现在2/3倍开挖深度附近。3.3建筑物竖向沉降基坑周围建筑物的安全性是建立在建筑物在基坑

开挖过程中沉降的动态预报之上.通过跟踪监测建筑

物的沉降，掌握其变形情况,来保证周边建筑物的安全。 本文仅选取具有代表性的市广播电视局某栋建筑物上

的监测点来进行分析，监测点平面布置如图5所示。监测点J022 J023沿基坑开挖方向布置，监测点

J023 J024垂直于基坑开挖方向布置，具体监测数据分

别如图6、图7所示。从图6和图7可以看出：施工初期，建筑物沉降变 化较小;施工中期，建筑物沉降变化较大;至施工后期.90铁道工程学报2019年1月5.d

050

注：d

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、卷七除逮启

3.53.02.2.L5

—DB72-02；亠 DB72-01；* DB07-01L050.-0.0-1.5

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—to—ZJOZto—0—z.oz图6 J022和J023监测点的沉降变化曲线沉降逐渐趋于稳定。另外,随着基坑的不断开挖，距车

站相同距离的建筑物沉降监测点变化趋势基本一致;

在基坑开挖同一阶段，建筑物距离车站越远，监测点的 沉降位移越小。另一方面，基坑开挖后应迅速进行桩

间挂网喷射混凝土施工,避免桩后土体流失严重而导 致基坑周围地面塌陷和建筑物发生不均匀沉降。- - - 111112222

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施工日期图8地表沉降变化曲线着基坑的开挖，最大地表沉降开始向远离基坑边缘的

方向移动,发生在1/3倍基坑深度左右。同时还可发

现,分布在基坑长边平行线上且依次远离基坑边缘的

监测点DB72 -01、DB07 -01.DB72 -02的沉降曲线

变化步调基本一致，但DB72 -01测点的变化趋势最 大，DB07 -01次之，DB72 -02最小，由此可以说明在 基坑开挖初期，距离基坑边缘越近，沉降越大,沉降变 化也较大。对比图3和图8还可发现，在第二道支撑 完成后，基坑桩体的水平位移有所增加，而地表沉降量

有所下降，这是内支撑轴力施加的结果。在第三道支

撑完成后,基坑周边土体沉降呈现规律性的沉降一隆

起一沉降一隆起，而且距离基坑中心越近,这种变化愈

加显著。这主要是因为在进行基坑开挖时，对于土体

原始自由场状态而言，相当于在基坑开挖边缘施加了

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一个释放荷载;支护结构又相当于施加一个相反荷载,

三—zo—ZJOZL0I20—Z40Z图7 J023和J024监测点的沉降变化曲线3.4地表沉降地表沉降监测是控制周边环境风险最直接的监测 手段。在基坑开挖过程中，通过周边地表沉降监测，了

解周边地表的沉降量及下沉速率，以保证整个周边施 工环境的安全。选取DB72 -01.DB07 -01、DB72 -02 三个测点来分析地表沉降与基坑开挖的关系，绘制的

变形曲线如图8所示。由图8可知:基坑开挖初期,基坑外侧土体沉降量 较小，最大地表沉降发生在基坑边缘，沉降曲线基本无

变化.DB72-01监测点之所以出现较小的负值，是基 坑开挖前坑边缘的车辆动荷载和随机堆载造成的；随£J—E—ZJOZ8ZIZ0IZJ0Z8Tmozmloe0—EOIZJOe

IIEO—Z.IOZ从而引起地应力的扰动和地表的沉降变化。—lo—Z

4数值模拟对比分析4.1模型建立选择基坑标准段的区域建模分析,并且仅模拟基 坑开挖施工阶段，因此基坑开挖的工况和实际工程的

JOeoz施工日期具体施工步骤都相对简化,具体工况如表3所示。基

坑标准段的宽度约为40 m,开挖深度约为17 mo为了

最大限度地减小模型边界对基坑开挖过程模拟计算的 影响.根据圣维南原理，在模拟基坑开挖时，计算边界

的影响宽度范围约为基坑开挖深度的3 ~5倍,影响深 度范围约为开挖深度的2-3倍，比较合理。模型中的 土体、桩、主体结构都采用八节点三维实体单元，本构 关系采用修正剑桥模型，横梁采用Beam单元,支撑采

用Beam单元的空心Pipe单元，横梁、支撑的材料性质

设置成弹塑性双线性，桩体采用Beam单元的实体Pipe第1期周 勇 王惠君 朱彦鹏:某地铁深基坑桩撑支护结构施工力学行为分析91单元，以线弹性来设置桩的材料,模型顶部设置成自由

边界,底部设置成固定边界，前后左右设置成滑移边 界，取120 mx40 m x40 m建立模型，生113 734

个单元J06 560个节点，所建模型的计算域如图9所 示。同时,考虑基坑周围可能发生的施工堆载以及车 辆等动荷载，在基坑的周围定义超载15 kPa。本文取

基坑第二开挖工况的计算模型进行对比分析，如图10 所示。表3模型开挖工况工况开挖深度/m支撑设置第一工况2.051.55 m处加设第一道支撑第二工况8.457.95 m处加设第二道支撑第三工况14. 1513.65 m处加设第三道支撑第四工况17.29开挖结束图9模型计算域（单位:m）图10基坑开挖第二工况计算模型4.2桩体水平位移对比分析由图4可知,2017年6月18日监测的桩体水平位

移最大值为6.44 mm,发生于1/2倍的桩身处,这与模 型开挖工况二后的整个桩身变形大小比较相近，其变

形的趋势变化也一样。所以，以基坑开挖第二工况的

模拟数据与2017年6月18日的监测数据做对比分 析，如图11所示。由图11可知，在开挖深度9 m之前，模拟值均小

于监测值,这说明在基坑开挖初期一些随机的堆载和

车辆动荷载以及人为因素对开挖施工的干扰性比较10 9注：模拟值；8-•-实测值7632101

一

）2 4 6 8

10 12 14 16 18 20 22深度/m图1

31围护桩水平位移模拟结果与实测结果对比曲线大,随着相关工作的加强，干扰因素的清除，基坑整个

开挖过程中的水平位移才没有达到警戒值。在每一道支撑处，即1.55 mJ. 95 m J3.65 m处 桩体的位移都有所减小,这和现场监测的数据有些差

别。分析原因得出：现场监测的测量误差、基坑场地地

层的复杂性和基坑周围的荷载等影响因素在进行模拟 时未能完全地考虑，所以模拟的结果相对于监测的结

果较为理想。由图11可知，模拟曲线的最大水平位移 为7. 24 mm,发生于1/3倍的桩身处，两者的变化趋势 是相同的，因此数值模拟在一定程度上可以用来预估 基坑开挖的位移变化，再加上现场监测的验证,使得基

坑开挖的施工既安全又经济。4.3地表沉降对比分析取DB72-01的模拟值与监测值进行对比分析, 如图12所示。5注：—实测值；Y-模拟值40Z寸匸L11IH

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施工日期图12地表沉降实测结果和模拟结果对比曲线随着基坑的开挖，打破了自身原有的初始应力平

衡场，相当于在开挖面施加了一个释放荷载，内力进行 重分布，土体会产生滑动，从而产生竖直方向的位移,

基坑周围地层向下沉降。模拟曲线平滑，结果较为理 想，而且总体趋势比监测值小，这与模拟时参数选取、

92网格划分和边界条件确定等有关。铁道工程学报2019年1月另外，由模拟开挖工况可知,基坑开挖初始阶段是

在没支撑的情况下进行的，最大地表沉降出现在基坑

参考文献：[1]

刘国彬，王卫东.基坑工程手册.第2版[M].北京：中国

边缘,桩体最大位移出现在桩顶。但随着开挖深度的

逐渐增大,施加支撑以后，桩体最大位移向下移动，最 大地表沉降点也未出现在基坑开挖边缘附近，而是向

建筑工业出版社,2009.Liu Guobin. Wang Weidong. Manual of Foundation Pit Engineering. Second Editionf M]. Beijing： China Architecture & Building Press, 2009.远离基坑的某一位置方向移动，最大沉降出现在2017

[2] 黄茂松，王卫东,郑刚.软土地下工程与深基坑研究进展

年3月14日，沉降值约为2. 56 mm,沉降点位于距离

基坑边缘大约6 m的位置，即开挖深度1/3倍位置，这

[JJ. 土木工程学报,2012(6):146-161.Huang Maosong, Wang Weidong, Zheng Gang. A

与现场监测数据结果相吻合，但略小于之前这一领域

的有关学者得岀的最大地表沉降发生在1/2 ~1倍基 坑深度位置的认识。由于实际工程中基坑开挖监测数据受施工现场扰

动因素多且分散性较大，同时数值模拟中复杂的地层 地质条件及诸多施工细节也无法全面考虑，导致现场

监测数据和数值模拟结果有一定的偏差。但监测结果 和模拟结果的变化趋势几乎一致，这说明在基坑开挖

过程中，数值模拟选取的本构模型、参数是合理的，其

结果在一定程度上可以体现基坑变形的一般规律，必

要时能够对监测进行预警,进而防止基坑事故的发生。5结论本文以兰州地铁东方红广场站深基坑为例，采用

现场监测和有限元生死单元数值模拟相结合的方法，

分析研究了桩撑支护结构的施工力学行为，主要得出

结论如下：(1) 数值模拟结果和现场监测结果对比分析表 明，两者的结果相近，变化趋势基本一致，说明运用生

死单元法对基坑开挖支护分析的结果可以为深基坑的

设计与施工提供有效指导。(2) 现场监测桩顶水平位移最大值为10.51 mm,

小于30 mm的控制值,这说明咬合桩+钢支撑的支护 结构可以有效地控制兰州特殊红砂岩地层基坑位移；

与此同时，由于时空效应,基坑工程应重视阳角和变截

面处的设计与施工。(3) 随着基坑开挖和支护的持续进行，桩身的前 倾型变化曲线先快后慢、先陡后缓，逐渐向“鼓肚”形

变化,最大测斜值为10. 56 mm,发生于2/3倍的开挖 深度(12 m)附近。(4) 随着基坑的不断开挖，距车站相同距离的建

筑物沉降变化趋势基本一致;建筑物距离车站越远,其

竖向沉降位移越小。(5) 基坑周边的地表沉降呈现沉降-隆起-沉 降-隆起的状态,这是因为基坑开挖支护的过程实际

上是一个不断对土体进行反复加载和卸载的复杂过

程，其最大沉降发生于距离基坑边缘1/3倍坑深处。Review of Recent Advances in the Underground Engineering and Deep Excavations in Soft Soils J ]・ China Civil Engineering Journal, 2012(6) ：146 -161.[3]

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