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0 引言
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随着城市地下空间技术的快速发展，城市轨道交通发展更为迅猛。四通八达的地铁线路给人们的生活带来方便的同时，也使得地铁周边的岩土体情况发生着沧海桑田的变化。近年来，众多学者通过理论计算、室内实验、现场试验、现场监测以及数值模拟等方法对地铁建设过程中的岩土体力学性质进行研究。胡家亮等（2019）、史玉金（2010）利用钻探、原位测试、物探、室内试验等勘察技术研究软土地区地铁建设中遇到的工程地质问题；王伟 （2020）研究表明地铁基坑开挖过程中作用在挡土结构物上的土压力不是一个定值，应按照变形控制理论进行基坑设计。张军贤和王清标（2020）及朱虹牧等（2017）对深基坑变形进行数值模拟，并结合现场监测数据，研究深基坑变形机理。由于岩土体成分和结构的不均匀性、各向异性及不连续性，决定了岩土体力学性质的复杂性，加上自然环境因素的影响（胡化刚，2020），施工过程中极易引起地表沉降变形甚至塌陷，因此地铁施工期间的安全性受到严重威胁。变形监测技术的保障使得工程活动得以安全和顺利进行，施工监测也成为了施工期间必不可少的一个环节。现代施工技术中，由于工程类别、地质条件、边界尺寸、施工方案、施工工艺的不同，应针对每一项工程制定独特的施工监测方案。监测的实际数据不仅能够为科学的理论计算提供数据，达到相互验证的目的，还可以预测岩土体变形的趋势。
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本文以南宁市地铁3号线心圩车辆段出入段线 U 型明挖深基坑工程为研究背景，设计专项施工监测方案，分析施工期间各项监测数据变化规律。结合 Midas/GTS 数值计算软件，对基坑的变形规律进行模拟，使得实际变形值与理论预测值有机地结合在一起，为多元化、深层次的类似工程的设计、施工及监测提供参考。
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1 工程概况及地质条件
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1.1 工程概况
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心圩车辆段出入段线由区间盾构、明挖基坑、放坡开挖三段组成（图1）。
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图1 心圩车辆段出入段线示意图
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在平面上，出科园大道站后沿振兴路直线向西，并结合道路走向经一组 R=350的圆曲线和一组 R=210的圆曲线后进入心圩车辆段；在纵断面上，区间入段线由东向西分别通过 5‰ 上坡（180 m）、 12.290‰ 上坡（700 m）、30.683‰ 上坡（165 m）接入心圩车辆段 U 型槽段，区间出段线由东向西分别通过 5‰ 上坡（180 m）、12.186‰ 上坡（704.23 m）、 31.426‰ 上坡（159.117 m）接入心圩车辆段 U 型槽段。其中明挖 U 型基坑段位于右 YDK0+880. 000 （左 ZDK0+880. 000）~右 YDK1+040. 000（左 ZDK1+ 034.281）的里程范围，由东向西依次开挖。本文拟对明挖U型基坑展开深入研究。
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1.2 工程地质条件
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心圩车辆段出入段线位于那酱坡—那秧坡—九冬坡一带，处于一级阶地的邕江低阶地亚区地貌单元，属于山前冲积平原。工程地质分区属于邕江低阶地松散土亚区工程地质区。详勘资料显示，基坑坑底以下有较厚的软塑状黏土和淤泥质土，底板处于粉质黏土地层，顶板处于素填土地层。同时研究区地下水水量微贫乏，地下水主要是上层滞水。
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2 设计及研究方案
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2.1 深基坑围护结构方案
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本站基坑开挖深度为 13.2 m，由东向西依次开挖，围护结构选用 600 mm 连续墙加内支撑方案，采用600 mm×800 mm混凝土支撑作为第一层支撑，采用φ609钢支撑作为第二层支撑，与主体形成复合式结构，基坑坑底增设搅拌桩地基加固，支护结构纵断面图见图2。依据《城市轨道交通工程监测技术规范（GB 50911-2013）》（中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2013），基坑自身风险等级为一级，工程监测等级综合为一级。
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2.2 深基坑监测方案
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在开挖过程中，基坑内部土体被大量移走，围护结构沿纵深方向受力不均，在侧向土压力的作用下产生变形。因此，在基坑开挖过程中，有必要对围护结构沿纵深方向的水平位移、基坑周围地表沉降、支撑轴力等进行监测，及时提供可靠的变形数据，评定施工期基坑的稳定性，同时加强对安全隐患的排查，可有效预防事故的发生。
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图2 支护结构纵断面图
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根据《城市轨道交通工程监测技术规范 （GB 50911-2013）》（中华人民共和国住房和城乡建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，2013）、《 建筑基坑工程监测技术规范 （GB 50497-2009）》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2009）及南宁市轨道交通建设要求，本基坑监测点布置间距 20 m，共计 8 个断面。基坑开挖导致围护结构变形，引起周边土体沉降，须在基坑周边布设沉降监测点，监测断面布置应与围护结构相对应，各监测断面按照与基坑垂直距离 3 m、5 m、10 m 各布置 3 个监测点。支撑轴力方面，每隔 4 根混凝土支撑布置 1 个轴力测点；每隔 10 根钢支撑布置 1 个轴力测点。研究区总平面监测布置图见图3、监测频率见表1。
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图3 总平面监测点布置图
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3 监测结果及分析
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3.1 墙顶水平位移
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选取基坑开挖端头南北纵断面、基坑北面侧壁和南面侧壁墙顶水平位移监测点的监测结果进行分析，墙顶水平位移曲线如图4 所示。墙顶水平位移量随时间迅速增大后逐渐减小，基坑开挖端头 ZQS-7的墙顶最大水平位移为6.8 mm，在预警值范围内，说明混凝土支撑很好地控制了墙顶水平位移。基坑北面侧壁和南面侧壁的墙顶水平位移相对较小，水平位移累计量由东向西逐渐减小。
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3.2 墙顶竖向位移
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墙顶竖向位移伴随着水平位移同时存在，位移曲线如图5所示。竖向位移中，负值表示沉降，正值表示隆起。竖向位移累计量由零开始迅速减小，随时间呈振荡式增大，直到接近于零甚至增大为正值。最大值为+5.9 mm，出现在基坑开挖端头ZQC-7；最小值为-5.8 mm，出现在与 ZQC-7 对称的 ZQC-9。
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图4 墙顶水平位移图
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a—基坑剖面；b—基坑东侧端头；c—基坑南侧；d—基坑北侧
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3.3 墙体水平位移
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采用在墙体中预埋测斜管，通过钻孔测斜仪观测各深度处的水平位移的方法进行监测（王登杰和邢智聪，2019）。基坑开挖从 9 月初期开始，侧向临空面不断增大，使得地层应力进行重新分布，土体向坑内移动，造成墙体的侧向压力，导致墙体侧移和变形。内支撑的架设与墙体形成了相互作用力，一定程度上抑制了墙体侧移。选取了基坑开挖端头至中部，南北两侧对称布置的 ZQT9、ZQT7、 ZQT6、ZQT4墙体水平位移监测点，分析墙体水平位移累计量随墙体深度的变化，如图6 所示。正常情况下，墙体水平位移累计量沿墙体深度方向，呈中间大两头小的“大肚子”形；在基坑深度8~10 m处出现最大位移累计量，ZQT7的水平位移累计量最大，达到了20 mm；随着基坑不断开挖，墙体水平位移累计量不断增大，此时内支撑就开始发挥作用，不断加大支撑轴力，使得位移曲线又开始朝反方向变化，同时地层应力经过重新分布，也达到了平衡。从图中可以看出，基坑主体与吊出井相连的位置水平位移累计量较大，北面侧壁大于南面侧壁，基坑中部侧壁墙体位移量不大，最大位移累计量均控制在预警值范围内。
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图5 墙顶竖向位移图
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a—基坑剖面；b—基坑东侧端头；c—基坑南侧；d—基坑北侧
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图6 墙体水平位移图
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a—ZQT9；b—ZQT7；c—ZQT6；d—ZQT4
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3.4 支撑轴力
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共设有19个支撑轴力的监测点，每道支撑的轴力随时间变化情况如图7、图8所示。整体上，基坑 9月初开工，随基坑分区域开挖与开挖深度的加深，支撑轴力呈增大趋势，个别支撑轴力监测点出现了轻微的振荡增大，但峰值各不相同，最大的可达 4500 kN，基坑端头及中部的峰值较大。混凝土支撑的轴力总体上大于钢支撑轴力，相比于混凝土支撑，钢支撑的轴力施加较为均匀，基本同时施加相同的力。基坑开挖初期，内支撑出应力现了负值，是由于钢筋计和应变计等元件所测到的应力并非全部是由荷载产生，还存在混凝土的干缩、湿胀、徐变等非荷载因素（肖振烨等，2018）。
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图7 第一道混凝土支撑轴力
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图8 第二道钢支撑支撑轴力
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4 数值模拟
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4.1 计算模型、参数
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有限元分析法是近年来兴起的分析岩土材料变形及稳定性的有力方法，本文采用有限元软件 Midas/GTS 对基坑的施工工况进行三维实体模拟 （王勖成和邵敏，2002；李治，2013）。土体模型采用修正摩尔-库伦本构。土层物理力学参数见表2，所建模型长 180 m，宽 210 m，高 50 m，54825 个单元， 31438个节点，如图9所示，围护结构如图10所示。
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图9 数值计算模型
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图10 围护结构
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4.2 计算结果分析
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（1）围护结构水平位移结果分析
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提取基坑开挖完成后 X、Y、Z 方向和总位移云图（图11），随着土体开挖和内支撑架设等工况的实施，围护墙水平位移逐渐增大，变形呈中间大两头较小趋势，X 方向最大水平位移可达-8.220 mm，Y 方向最大水平位移可达-7.987 mm，Z方向最大水平位移可达2.925 mm，总位移云图显示基坑端头北面侧壁位移相对较大，相比于实际监测数据来看相对较小，但相差不大（图12）。因此直观地显示了基坑围护结构在开挖时的变形规律。
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图11 围护墙水平位移云图
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图12 支撑轴力云图
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图13 内支撑弯矩云图
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（2）支撑轴力分析
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由图12 可知，基坑开挖完成后，第一层内支撑最大的轴力为 1054 kN，出现在端头井的横向内支撑位置处，稍大于实际监测数据中的变化值，第二层钢支撑的轴力普遍比第一层小。弯矩趋势亦如此（图13），弯矩最大值为 414.3 kN·m，受拉侧最大弯矩为170.8 kN·m。
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5 结论
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科学监控量测是大型地铁工程建设施工过程的重要环节，是一项不可或缺的关键内容，直接关系到工程整体施工安全质量。因此，通过对南宁地铁心圩车辆段出入段线深基坑围护结构的变形规律展开分析与探讨，初步获得如下结论：
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（1）基坑逐步开挖，侧向临空面不断增大，使得地层应力进行重新分布，土体向坑内移动，墙体产生侧向压力，墙顶水平位移量随时间迅速增大后逐渐减小；墙顶竖向位移累计量由零开始迅速减小，随时间呈振荡式增大；墙体水平位移沿深度方向呈中间大两边小的“大肚子”形，最大水平位移几乎位于墙体中部。
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（2）内支撑的架设与墙体侧向压力形成了相互作用力，支撑轴力逐渐增大，一定程度上抑制了墙体侧移，使得墙体水平位移随时间先增大后减小。
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（3）监测数据分析法与有限元分析法相呼应，监测结果与计算结果虽存在一些不可避免的误差，但变化基本趋势相同，可见数值模拟分析的模型、计算方法及计算参数具有可行性，更加有效和直观地说明基坑开挖过程中围护结构的变形规律，为深基坑工程的设计提供可靠的理论依据。
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（4）该基坑围护结构采用地下连续墙+内支撑，使得基坑开挖变形量符合南宁轨道交通建设要求，为南宁轨道交通工程进一步建设提供了可靠的经验，值得借鉴。
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参考文献
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摘要
本文以南宁市地铁3号线心圩车辆段出入段线U型明挖深基坑工程为例，通过变形监测技术对基坑墙顶水平位移、墙顶竖向位移、墙体水平位移和支撑轴力等重点监测项目进行实时监测，根据地下连续墙+内支撑的支护形式，分析基坑围护结构的变形规律。监测结果表明：墙顶水平位移量随时间迅速增大后逐渐减小；墙顶竖向位移累计量由零开始迅速减小，随时间呈振荡式增大；墙体水平位移沿深度方向呈中间大两边小的“大肚子”形，最大水平位移几乎位于墙体中部；支撑轴力逐渐增大，一定程度上抑制了墙体侧移。最后应用有限元软件 Midas/GTS对基坑开挖过程进行了数值计算，将数值计算结果与监测数据进行对比，数值计算与现场监测数据变化趋势基本上一致，但数值模拟结果较小，模拟结果与监测数据较为吻合，可为日后类似工程的设计、施工及研究提供有益的借鉴。
Abstract
This study focuses on the deformation characteristics of a subway foundation pit supporting structure in Nanjing， specifically examining the horizontal displacement of the foundation pit wall， the horizontal displacement of the wall top，and the axial force of the wall and support. By analyzing the deformation patterns of foundation pit retaining structure， which consists of an underground diapharagm wall and internal support， valuable insights are gained. The findings reveal that the horizontal displacement of the wall top initially increases rapidly over time before gradually decreasing. Additionally， the cumulative vertical displacement on the top of the wall experiences a rapid decreases from zero， followed by oscillating increases as time progresses. Notably， the horizontal displacement along the depth direction of the wall exhibits a prominent bulging effect， with the maximum displacement occurring near the middle of the wall. Moreover， the axial force of the support gradually increases， effectively restraining the lateral movement of the wall to a certain extent. To further validate the research， excavation process of the foundation pit was simulated using the finite element software Midas/GTS. The simulation results were then compared and analyzed alongside the field monitoring data. While the numerical simulation results were slightly smaller than the monitoring data， the overal trend was consistent. These results provide valuable references for the design， construction and future research of similar project.
