1. 引言
随着我国城市化建设的发展，土地资源日趋紧张使充分开发利用地下空间成为城市化建设的目标之一[1]。当前，地下空间工程向着规模大、开挖深度大、地质条件复杂的方向发展[2]，但同时易引起基坑结构发生变形，引发安全事故。深基坑安全事故不仅包括基坑本身的支护结构破坏、变形失稳、坍塌、人员伤亡等直接事故，还包括其影响范围内所发生的邻近建筑物开裂倾斜、公用市政房屋破坏等间接的意外事故[3]。对于深基坑工程开挖过程的稳定性及支护结构的变形规律，许多学者进行了分析研究[4]-[7]。以郑州中心城区某深基坑工程为背景，使用Midas GTS/NX有限元软件进行了数值模拟，对不同开挖工况进行计算分析，并通过将数值结果与现场实测数据进行对比验证，揭示了该区域地质条件下基坑支护体系的变形特征，研究成果为同类型的深基坑设计与施工提供了重要参考依据。
2. 工程背景
2.1. 工程简介
本工程位于郑州市惠济区城区。场地内拟建8栋高层建筑物、1栋幼儿园，3栋配套用房及大面积地下车库。地下车库采取框架结构，地下2层基础埋深绝对标高83.24/83.44 m，本场地相对标高±0.00相当于绝对标高93.500，基坑开挖深度9.0~10.9 m，基坑支护周长约874 m。
2.2. 工程地质与水文地质条件
Table 1. Physical and mechanical parameters of each soil layer
表1. 各土层物理力学参数表
序号 |
土层 |
天然重度/kN·m−3 |
fak/Kpa |
粘聚力/kPa |
内摩擦角/(˚) |
Es/Mpa |
1 |
杂填土 |
18.0 |
80 |
5.0 |
10.0 |
/ |
2 |
粉土-1 |
19 |
140 |
11.0 |
17.0 |
9.5 |
3 |
粉土夹粉粘 |
18.9 |
105 |
12.0 |
19.0 |
5.6 |
4 |
粉土-2 |
19 |
160 |
14.0 |
23.0 |
11.4 |
5 |
粉粘夹粉土 |
18.9 |
120 |
21.0 |
12.0 |
4.6 |
6 |
细砂 |
19.0 |
210 |
3.0 |
29.0 |
18.5 |
根据勘察报告结果分析，勘察期间稳定水位高程为77.80 m，现地表以下15.00 m左右，地下水位多年变幅在2.0 m~3.0 m。根据郑州市的长期水文观测资料，该场地近3~5年郑州市地下水位变化不大，根据本场地基坑开挖深度，不需要人工降低地下水。具体土层物理参数如表1所示。
3. 基坑支护设计及监测方案
3.1. 基坑支护设计
针对场地地段地层、环境条件以及基坑开挖深度，结合有关规范标准前提下，本工程基坑支护型式采用复合土钉墙支护型式，如图1所示。
Figure 1. Section support structure design drawing
图1. 剖面支护结构设计图
3.2. 监测方案
(1) 监测控制网布设
根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2019)规定[8]，基坑开挖深度大于等于5 m或小于5 m，但地质情况和周围环境复杂，以及需要监测的基坑工程都应进行基坑监测。本工程设计开挖深度为9.9m，为掌握工程施工时的安全状态，保证基坑支护体系的稳定性，因此对基坑实时监测是保证工程顺利进行施工的必要措施。需要进行的监测项目包括水平位移监测、竖向位移监测、深层水平位移监测，监测点位如图2所示。
① 基坑坡顶水平位移和竖向位移监测在基坑四侧总计布置47个监测点，编号为S1~S47。
② 坡体深层水平位移监测共10个测斜管，在基坑东西面各布置2个测斜管，南北面布置各3个测斜管，编号为CX1~CX10。
③ 建筑物沉降监测共23个，监测点在基坑南面的小学和超市附近一共布置17个沉降观测点，在基坑的西侧建筑物布置6个沉降观测点，编号为C1~C23。
(2) 基坑监测预警
基坑监测预警主要包括以下几方面：基坑监测报警值为：
① 基坑坡顶水平位移：累计50 mm，变化速率大于2 mm/d；土钉支护坡顶竖向位移累计20 mm，变化速率大于3 mm/d。当监测值变化速率连续3天超过报警值的50%，应报警。
② 深层水平位移：累计值绝对值超过45 mm和0.4%H (基坑开挖深度)中的较小值；变化速率大于2 mm/d。
③ 建筑物沉降：累计值绝对值为10 mm；变化速率大于1 mm/d，倾斜度2/1000或者倾斜速度连续3天大于0.0001 H/d。
当出现上列情况之一时，应立即停止施工，并对基坑支护结构和周边保护对象采取应急措施[8]。
Figure 2. Layout plan for foundation pit monitoring
图2. 基坑监测平面布置图
4. 监测结果分析
4.1. 坡顶水平位移和竖向位移分析
从图3和图4可以明显看出，S31是基坑坡顶水平位移和竖向位移变化最大的监测点，分布于基坑南侧东段临某楼，其值分别为4.9 mm、4.09 mm。现场基坑变形处于安全范围以内，符合国家规范要求。且水平和竖向位移都随着时间的增长而增长。在最开始的几个月里，水平位移和竖向位移随着时间的增加，发生较快的沉降，但随着工程的进展开始趋于稳定。众多资料也表明，支护结构的较大变形一般情况下都发生在底板浇筑之前，在底板浇筑完成后的一段时间内土体的变形趋于稳定[9]。
Figure 3. Curve graph of horizontal displacement variation at the top of the slope
图3. 坡顶水平位移变化曲线图
Figure 4. Shows the vertical displacement variation curve at the top of the slope
图4. 坡顶竖向位移变化曲线图
4.2. 深层水平位移分析
深层水平位移可以直观的反映出支护结构的位移状态。本文对基坑2#测斜孔监测结果进行分析，如图5所示。深层水平累计位移最大值为5.35 mm。基坑在开挖初期变化小，但随着时间的变化，在2020年5月19到5月25之间，深层水平位移由1.2 mm突增为2.2 mm，此后随着工况施工的进行，深层水平位移也随之增大。在当施工单位在采取加固支撑措施设置冠梁后位移量逐渐降低。因此，基坑开挖应考虑主要特点为选择合理可靠施工工序。
Figure 5. Shows the deep horizontal displacement-time curve of the No. 2 inclinometer tube
图5. 2#测斜管深层水平位移–时间曲线
4.3. 建筑物沉降分析
从图6看，最大值位于C5、C19、C22处0.02 mm。属于基坑南侧建筑监测点，远小于规范规定的沉降累计报警值10 mm，这说明该工程基坑施工对建筑物的影响十分微弱。
Figure 6. Shows the results of building settlement monitoring
图6. 建筑物沉降监测成果图
5. 数值模拟
5.1. 模型建立
对郑州某基坑支护项目采用Midas GTS NX有限元软件进行模拟，基坑建模如图7所选取3-3剖面周围局部土体建立模型。模型长30 m (x轴方向)，其中开挖部分长度是15 m，模型高20 m (y轴方向)，开挖部分高度是9.9 m。土体均为各向同性、均质连续的材料，土体变化遵循修正摩尔–库仑屈服准则，基坑采用微型桩加锚杆和土钉支护。计算模型中所需参数如表1所示。
Figure 7. Foundation pit model diagram
图7. 基坑模型图
5.2. 基坑数值模拟工况划分
根据基坑开挖步骤定义施工阶段如表2。
Table 2. Division of construction steps
表2. 施工步骤划分
工况 |
累计开挖深度(m) |
施工内容 |
/ |
0 |
激活土体网格约束和重力，进行初始应力平衡 |
1 |
1.4 |
打入微型桩，开挖1.4 m，打入第一排土钉，喷射混凝土面层 |
2 |
2.9 |
开挖1.5 m，设置腰梁，打入第一排预应力锚杆，喷射混凝土面层 |
3 |
4.4 |
开挖1.5 m，打入第二排土钉，喷射混凝土面层 |
4 |
5.9 |
开挖1.5 m，打入第三排土钉，喷射混凝土面层，在开挖5 m处打入第二个微型桩 |
5 |
7.4 |
开挖1.5 m，打入第四排土钉，喷射混凝土面层 |
6 |
8.9 |
开挖1.5 m，打入第五排土钉，喷射混凝土面层 |
7 |
9.9 |
开挖1 m，喷射混凝土面层 |
5.3. 数值模拟与监测结果对比分析
(1) 水平位移对比分析和竖向位移对比分析
如图8和图9给出了水平位移和竖向位移模拟值与实测值对比结果，模拟曲线和实测值曲线大致呈线性分布，且模拟结果与监测结果数值相近，但在工程中后期，模拟值依旧有小幅度上升。这可能是由于在数值模拟过程中对土层进行了相应简化，未考虑降雨和地下水对边坡的影响，不能准确反映真实情况。尽管如此，模拟结果所反映出的变化规律仍具有十分重要的参考意义，监测结果和模拟结果均未超过规范允许值。
Figure 8. Shows the comparison curve between the simulated value and the measured value of the horizontal displacement at the top of the slope
图8. 坡顶水平位移模拟值与实测值对比曲线图
Figure 9. Shows the comparison curve between the simulated and measured values of the vertical displacement at the top of the slope
图9. 坡顶竖向位移模拟值与实测值对比曲线图
(2) 深层水平位移对比分析
深层水平位移监测对基坑施工的安全起着至关重要的作用，它直接反映了围护桩的变形和位移。从图10中可以看出，模拟结果对比实际监测结果来说相对较小，但总的来说，基坑数值模拟结果与现场实际测量值吻合度较好，都是随着深度的增加，水平位移逐步变小，曲线呈现为明显的“头大脚小”的形状。
Figure 10. Shows the comparison curve between the simulated and measured values of deep horizontal displacement
图10. 深层水平位移模拟值与实测值对比曲线图
6. 结论
本文以郑州市某深基坑工程为研究对象，对工程现场监测数据进行了分析，运用北京理正7.0和Midas GTS NX对实际工程展开分析，同时，运用Midas GTS NX对实际工程展开模拟，并将模拟结果与现场实测结果进行对比和分析，水平位移和竖向位移模拟值与实测值对比大致呈线性分布，但在工程中后期，模拟值依旧有小幅度上升。这说明运用数值模拟的方法可在一定程度上模拟实际工程支护结构的变形趋势，在实际工程中可以起到指导设计、施工的作用，但在参数的选择和模型的简化上还需进一步探明。尽管如此，模拟结果所反映出的变化规律仍具有十分重要的参考意义，深层水平位移模拟值变化规律和实测值基本一致，深层水平位移曲线呈现为明显的“头大脚小”的形状。