基于混凝土支撑轴力伺服技术的深基坑开挖数值模拟与监测分析

Numerical Simulation and Monitoring Analysis of Deep Foundation Pit Excavation Based on Concrete Support Axial Force Servo Technology

摘要: 文章以上海市谈家桥路旧住房拆除重建工程基坑为研究案例，利用Midas GTX NX软件构建3D模型，对比分析了有无混凝土支撑轴力伺服两种情况下的基坑开挖数值模拟结果，并结合现场实测数据进行了深入研究。研究结果显示，采用混凝土支撑轴力伺服技术能够显著减少基坑变形，满足了基坑微变形控制要求，对敏感区周边环境保护具有重要作用；基于实测数据修正的基坑开挖模型可精确模拟单一施工要素变化后的变形情况，为基坑变形机理研究和预测提供了重要参考。

Abstract: This article takes the foundation pit of the old housing demolition and reconstruction project on Tanjiaqiao Road in Shanghai as a research case, constructs a 3D model using Midas GTX NX software, compares and analyzes the numerical simulation results of foundation pit excavation under two conditions: with and without concrete support axial force servo, and conducts in-depth research based on on-site measured data. The research results show that the use of concrete support axial force servo technology can significantly reduce the deformation of foundation pits, meet the requirements of micro deformation control of foundation pits, and play an important role in protecting the surrounding environment of sensitive areas; The excavation model of foundation pits modified based on measured data can accurately simulate the deformation situation after a single construction element changes, providing an important reference for the research and prediction of foundation pit deformation mechanisms.

1. 引言

近年来，随着我国城市地下空间的快速发展，深大基坑工程的规模与深度显著增加，其对周边环境的扰动问题日益凸显，尤其在环境敏感区域，如紧邻软土基坑的敏感建筑物旁，如何有效控制基坑变形成为行业关注的焦点。研究表明，基坑周边地表沉降与围护墙的水平变形密切相关[1]，因此，优化围护结构变形控制策略至关重要。

传统上，混凝土支撑和钢支撑是软土基坑中常见的支撑方式。混凝土支撑虽具刚度大、承载力强、布局灵活等优势[2] [3]，但存在受力被动、难以主动调控前期变形、易受收缩徐变及温度影响等不足。而钢支撑虽轻便易施工，却因刚度较低，在大型基坑中变形控制效果有限[4] [5]。

为应对这些挑战，一种创新的轴力伺服混凝土支撑技术应运而生，该技术巧妙结合了混凝土的高刚度与轴力伺服系统的主动调控能力，通过在支撑端部安装伺服千斤顶，实现对支撑轴力的精准施加与调整，从而有效管理基坑变形。该技术不仅兼容地下连续墙，也适用于灌注桩等多种围护结构形式[6]。

本文依托上海市谈家桥路旧住房改造项目的基坑工程实例，运用数值模拟与实测数据相结合的方式，深入分析了轴力伺服混凝土支撑系统的实际应用效果，旨在为该技术的推广应用提供科学依据和实战经验。

2. 工程概况

2.1. 项目概况

“谈家桥路121弄、155弄部分旧住房拆除重建工程”位于上海市静安区，柳营路以南，沪太路以东，中山北路以北。西地块设置两层地下室，基坑开挖面积约6130 m²，普遍区域挖深约9.70 m。项目周边环境较为复杂，基坑西侧紧邻谈家桥路163弄2栋7层天然浅基础砌体结构建筑物，基坑边线距离建筑物最近距离约11.2 m (见图1)。

Figure 1. Foundation pit plan

图1. 基坑平面图

本项目基坑开挖深度较大，西北侧临近谈家桥路163弄2栋居民楼建筑物，均为6层天然浅基础砖砌体结构，初始最大倾斜率达到7.3‰，环境保护等级为一级，保护难度大，基坑施工需要确保周边建筑物绝对安全。

2.2. 支护结构

基坑安全等级二级，采用“灌注桩 + 内支撑”支护体系。居民楼侧采用ø1000@1200钻孔灌注桩，有效桩长19.0 m~23.0 m；采用2排三轴搅拌桩3ø850@1850套打，水泥掺量20%，有效桩长19.0 m~23.0 m；采用3ø850@1200三轴搅拌桩作为止水帷幕，有效桩长36.0 m；设置2道钢筋混凝土支撑，并对坑内土体进行了加固。基坑东西向典型支护剖面见图2。

Figure 2. Typical east-west support profile of foundation pit (unit: mm)

图2. 基坑东西向典型支护剖面图(单位：mm)

2.3. 伺服系统

考虑到基坑西北侧建筑物距离基坑较近，基础形式简单，建筑物初始状态差，基坑开挖期间变形风险高等特点，为了更好的保护建筑物安全，在临近建筑物区域第二道支撑设置了混凝土支撑轴力伺服系统。混凝土支撑轴力伺服布设位置见图3。

混凝土支撑轴力伺服系统平面布置见图3，第二道砼支撑共计布设27个千斤顶。伺服主动控制系统包括液压千斤顶集成箱、液压泵站以及自动控制软硬件系统，通过该主动控制系统可以实现对支撑体系应力的精确加载以及伺服调整[7]。

最大加载量为2000 kN，分四级加载，第一级为500 kN，第二级为1000 kN，第三级为1500 kN第四级为2000 kN。第二级后千斤顶按照每步250 kN间隔加载，每级加载监测稳定后继续加载。

Figure 3. Layout plan of servo system (second support)

图3. 伺服系统平面布置图(第二道支撑)

3. Midas GTS NX三维模型

3.1. 模型尺寸及边界条件

为了减小边界效应影响，根据圣维南原理，模型边界自基坑外边线向外扩3~5倍基坑开挖深度[8]-[10]，确定该深基坑模型尺寸为X方向334 m，Y方向315 m，Z方向50 m。三维模型共计约88,564个网格，82989个节点，三维有限元计算模型见图4。

在模型四周及底部施加边界条件，模型底部限制X、Y、Z三个方向位移，模型四周限制方向位移。对模型施加自重荷载，模型顶面自由。

采用三维渗流理论模型进行流固耦合计算，针对土体渗流进行分析。根据岩土工程勘察报告，初始水头设置为−0.5 m，每层土方开挖前，先将坑内水位降至开挖面以下0.5 m，满足基坑开挖规范要求[11]。

Figure 4. 3D finite element model

图4. 三维有限元模型

3.2. 模型材料及属性

根据岩土工程勘察报告显示，场地土层划分为7个工程地质主层和9个工程地质亚层，本模型共计涉及到6个土层，模型中每层土物理力学参数见表1。本结构模型采用修正摩尔–库伦屈服模型，支撑、围檩、立柱采用1D梁单元；栈桥、地墙、底板及建筑物基础采用2D板单元；建筑物、土层、坑内加固及止水帷幕采用3D实体单元，结构材料属性见表2。围护钻孔灌注桩将其等效为相同抗弯刚度的地下连续墙[12]，等效地墙厚度645 mm。建筑物及基坑支护结构模型见图5。

Table 1. Model geotechnical parameter table

表1. 模型岩土参数表

土层名称	层厚/m	泊松比v	容重γ/(kN/m^3)	粘聚力Ccq/kPa	摩擦角Φcq/˚	$E_{50}^{\text{ref}}$ /MPa	$E_{\text{oed}}^{\text{ref}}$ /MPa	$E_{\text{ur}}^{\text{ref}}$ /MPa
① 杂填土	2.5	0.38	17.8	8	13.0	2.5	2.5	12
② 1粉质粘土	1.0	0.38	18.6	21	18.0	5.1	5.1	25
② 3粘质粉土	3.7	0.31	18.5	7	27.5	7.2	7.2	28
④ 淤泥质粘土	9.7	0.42	16.8	13	10.5	2.3	2.3	12
⑤ 2砂质粉土	16.6	0.28	18.4	5	29.5	8.8	8.8	36
⑤ 3粉质粘土夹砂质粉土	16.5	0.32	18.1	16	17.5	4.1	4.1	20

注：三轴试验的割线刚度($E_{50}^{\text{ref}}$ )——三轴试验中极限强度的50%时的割线刚度；主压密试验的切线刚度($E_{oed}^{\text{ref}}$ )——压密试验中参考压强下的弹性系数；卸载/加载刚度($E_{ur}^{\text{ref}}$ )——卸载/加载时的弹性系数。

Table 2. Model material property parameter table

表2. 模型材料属性参数表

材料名称	本构模型	弹性模量E/MPa	泊松比	容重γ/(kN/m^3)
C30混凝土	弹性	30500	0.2	25.0
钢材	弹性	205000	0.2	78.0
三轴加固	弹性	80	0.3	19.0

Figure 5. Building and foundation pit support structure model

图5. 建筑物及基坑支护结构模型

3.3. 开挖工况设置

在Midas GTX软件中根据实际施工顺序设置施工阶段组，进行了模型一(支撑未施加预应力)和模型二(支撑施加预应力) 2组模拟，分别模拟2次开挖工况，其中模型一分为9个计算步骤，模型二分为10个计算步骤，详细的施工流程见表3。

本模型中通过在围檩上施加静力荷载(集中力)来模拟混凝土支撑轴力伺服的工作机理。根据伺服系统平面布置图在模型中对应位置施加静力荷载，共计施加26点集中力，集中力为2000 kN，与实际布设的千斤顶数量、位置、加载量相同。伺服系统结构模型见图6。

Table 3. Construction phase group

表3. 施工阶段组

阶段	施工阶段组(模型一：未施加预应力)	施工阶段组(模型二：施加预应力)
工况1	初始渗流	初始渗流
工况2	初始应力	初始应力
工况3	止水帷幕、地墙、立柱、坑内加固、 表层土开挖、支撑及栈桥施工	止水帷幕、地墙、立柱、坑内加固、 表层土开挖、支撑及栈桥施工
工况4	第二层土方降水至开挖面以下0.5 m	第二层土方降水至开挖面以下0.5 m

续表

工况5	第二层土方开挖	第二层土方开挖
工况6	第二道支撑施工	第二道支撑施工
工况7	第三层土方降水至开挖面以下0.5 m	支撑施加预应力
工况8	第三层土方开挖	第三层土方降水至开挖面以下0.5 m
工况9	底板施工	第三层土方开挖
工况10		底板施工

Figure 6. Servo system structural model (position of the second purlin)

图6. 伺服系统结构模型(第二道围檩位置)

3.4. 研究思路

模型一基于未施加混凝土支撑轴力伺服侧围护深层水平位移(测斜)实测数据进行模型参数修正和约束条件设置，主要对坑内三轴加固体弹性模量进行修正，在地墙底部和立柱底部增加约束条件，由此模拟在未施加混凝土支撑轴力伺服时基坑开挖的真实变形。

模型二则采用控制变量法，在模型一的基础上引入混凝土支撑轴力伺服。旨在模拟施加混凝土支撑轴力伺服时基坑开挖的变形情况，并通过与混凝土支撑轴力伺服侧的实测数据进行对比，验证模型的精确性。通过与模型一的变形数据进行对比分析，我们能够更深入地理解混凝土支撑轴力伺服在变形控制方面的效果及其作用机制。

4. 基坑开挖数值模拟分析

为了深入探究混凝土支撑轴力伺服技术在基坑开挖中对变形控制的实际效果，本文对比分析了有无混凝土支撑轴力伺服两种情况下的基坑开挖数值模拟。鉴于篇幅限制，仅选取了部分典型位置进行细致分析，相应测点见平面布置图7。

Figure 7. Layout plan of monitoring points

图7. 监测点平面布置图

4.1. 围护深层水平位移分析

模型一基于未施加混凝土支撑轴力伺服侧围护深层水平位移实测数据进行模型参数修正和约束条件设置，CX1和CX2围护深层水平位移可表征无混凝土支撑轴力伺服侧基坑开挖的围护变形情况。由图8和图9可见，第二层土方开挖期间，围护深层水平位移最大增量约17 mm；第三层土方开挖完成，围护深层水平位移累计最大约33 mm。

(a)

(b)

Figure 8. Horizontal displacement cloud map (Model 1)

图8. 水平位移云图(模型一)

(a)

(b)

Figure 9. Curve diagram of deep horizontal displacement of enclosure at each stage (Model 1)

图9. 各阶段围护深层水平位移曲线图(模型一)

模型二在模型一的基础上引入伺服技术，混凝土支撑轴力伺服被布置在临近居民楼侧第二道支撑位置。由图10和图11可见，第三层土方开挖期间，由于有混凝土支撑轴力伺服的作用，第二道支撑位置及其临近区域，围护深层水平位移不但没有随着开挖深度的加大而继续增加，反而出现了一定的负位移。

(a)

(b)

Figure 10. Horizontal displacement cloud map (Model 2: Servo)

图10. 水平位移云图(模型二：伺服)

Figure 11. Curve diagram of deep horizontal displacement of enclosure at each stage (Model 2: Servo)

图11. 各阶段围护深层水平位移曲线图(模型二：伺服)

由图9和图11相比可知，模型二第三层土方开挖完成以后，围护深层水平位移累计最大约27 mm，相较于模型一，同工况下围护深层水平位移减小约6 mm，表明采用混凝土支撑轴力伺服的区域能很好地控制围护变形。

由图11可知，第三层土方开挖完成时围护深层水平位移实测结果与模拟结果高度一致，充分证明基于实测数据修正的模型在研究单一变量时所采用的技术方法(即控制变量法)是科学且合理的。不仅证实了模型的有效性，还进一步验证了其准确性。

4.2. 建筑物竖向位移分析

由图12和图13可见，模型一在第二层土方开挖期间，建筑物累计最大竖向位移约−8.98 mm (F5)；第三层土方开挖完成，建筑物累计最大竖向位移约−19.44 mm (F5)，沉降变形最大点均位于距离基坑最近的建筑物角点。

Figure 12. Vertical displacement cloud map (Model 1)

图12. 竖向位移云图(模型一)

Figure 13. Vertical displacement curve diagram of buildings at each stage (Model 1)

图13. 各阶段建筑物竖向位移曲线图(模型一)

由图14和图15可见，模型二在第三层土方开挖完成时，建筑物累计最大竖向位移约−13.54 mm (F5)，相较于模型一，同工况下建筑物竖向位移减小约6 mm，表明由于围护变形得到了有效控制，建筑物的竖向位移也相应减小，体现了混凝土支撑轴力伺服技术在保护周边环境方面的重要作用。

Figure 14. Vertical displacement cloud map (Model 2: Servo)

图14. 竖向位移云图(模型二：伺服)

Figure 15. Vertical displacement curve diagram of buildings at each stage (Model 2: Servo)

图15. 各阶段建筑物竖向位移曲线图(模型二：伺服)

5. 结论

本文以上海市谈家桥路121弄、155弄部分旧住房拆除重建工程基坑为研究背景，利用Midas GTX NX软件建立3D模型。通过对有无预应力混凝土支撑两种情况下的基坑开挖数值模拟进行对比分析，再结合现场实测数据，进行全面的比对研究。现将主要研究成果总结如下：

1) 应用混凝土支撑轴力伺服技术，能够显著减少基坑变形，包括围护地墙变形、混凝土支撑压缩变形、混凝土支撑徐变等。对于有效控制软土基坑开挖变形具有显著效果，为保障基坑施工安全提供了有力支持。

2) 基于实测数据对基坑开挖模型进行精细修正后，该模型能够高度准确地模拟单一施工要素变化后的基坑变形情况。这一成果不仅深化了对基坑变形机理的理解，更为未来类似工程的变形预测与风险控制提供了强有力的数据支持与理论参考。

3) 在轴力伺服系统的加载作用下，混凝土支撑显著改变了围护结构的深层水平位移形态，由传统的抛物线型转变为更加稳定的上部内凹型。这一转变表明，轴力伺服技术能够有效抑制支撑位置附近围护墙体的变形，在邻近轨道交通隧道结构收敛保护方面具有重要意义。

基金项目

上海市发展和改革委员会资助项目(06162021222)，上海市科学技术委员会科研计划(22dz1200700, 22dz1202900)。

NOTES

^*通讯作者。