綜合管廊明挖基坑變形與有限元分析*

陶紅霞

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300134）

2015年國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于推進城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》，大力推動全國城市地下管廊系統(tǒng)，當(dāng)前國內(nèi)大部分一二線城市均已開始地下綜合管廊系統(tǒng)的建設(shè)工作。在進行地下綜合管廊建設(shè)時，由于涉及諸多深基坑施工，同時開挖尺寸在不斷增加，綜合管廊基坑施工的安全支護與結(jié)構(gòu)設(shè)計引起愈來愈多施工管理人員與研究學(xué)者的重視。

本研究選擇成都天府新區(qū)綜合管廊X L段明挖基坑作為研究對象，采用ABAQUS對土體與基坑的支護結(jié)構(gòu)建模，分析基坑開挖支護等施工過程中的變形，通過數(shù)值模擬計算與實際監(jiān)測結(jié)果的對比分析，研究基坑變形與受力情況。

1 工程概況

成都天府新區(qū)綜合管廊采用明挖順做法施工，基坑開挖深度約21 m，開挖寬度近100 m?；硬捎梅謱娱_挖施工，每層開挖深度控制在2～3 m。邊坡共劃分三級，其中一級邊坡坡度為1∶1.5，二級邊坡與三級邊坡坡度均為1：1.75。坡面護面工程采用的C 20噴射混凝土 +φ8鋼筋網(wǎng)（間距 0.15 m×0.15 m），護面厚度 0.08 m，定位鋼筋長 1 m，采用H R B 400φ14鋼筋（2 m×2 m梅花形布置）對護面內(nèi)鋼筋網(wǎng)予以固定。

2 綜合管廊明挖基坑建模

成都天府新區(qū)綜合管廊X L段基坑工程從縱斷面方向分析，其所采用的支護結(jié)構(gòu)形式為同性變化，在縱向結(jié)構(gòu)上選取5 m作為重復(fù)施工段的研究長度?？紤]到基坑為左右兩側(cè)對稱形式，選取其中一半結(jié)構(gòu)創(chuàng)建3 D模型，以提升計算效率與速度。此外，為盡可能減少邊界效應(yīng)所帶來的不利影響，本研究選擇的計算范圍為100 m（深度）×100 m（寬度）×5 m（縱向長度）。本研究中，基坑土體與支護結(jié)構(gòu)建模方式如下。

1）土體建模采用M-C（摩爾庫倫）理想彈塑性模型，該模型的主要條件為：

式中：c為土的黏聚力；σn為屈服面上的正應(yīng)力；φ為土體的內(nèi)摩擦角。

2）支護結(jié)構(gòu)建模則采用的是線彈性本構(gòu)Model。在ABAQUS軟件中，土體與面層均采用的是SolidUnit，錨釘采用的是 Truss Unit，對于土體與錨釘之間的連接則采用Tie Constraint的方式予以聯(lián)結(jié)約束從而實現(xiàn)模擬效果。此外，針對土體模型的邊界約束設(shè)置為：前后左右4個平面均為法向約束，底部平面采用3個方向的約束形式，頂部平面則采用自由面的方式。

ABAQUS中明挖基坑的模擬施工流程分為a～h8個施工階段：分別開挖施工至 -3.0，-6.0，-8.0，-10.0，-13.0，-16.0，-19.0，-21.0 m，開挖每層后均掛網(wǎng)噴錨支護8 cm進行護面，在下一層開挖前要待上層噴射混凝土強度達(dá)到80%方可開始施工。

3 計算參數(shù)設(shè)置

本研究中明挖基坑的地層結(jié)構(gòu)土體參數(shù)如表1所示。本項目中基坑邊坡采用C 20噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)片的方式予以護面，將內(nèi)部的 H P B 300φ8鋼筋網(wǎng)片考慮在內(nèi)，護面層與錨釘?shù)膮?shù)分別為：泊松比 μ為 0.20和 0.25；彈性模量 E為 22 G P a和200 G P a。

表1 地層結(jié)構(gòu)土體參數(shù)

4 基坑變形有限元分析

4.1 基坑邊坡頂面水平、豎向變形與地表沉降變形

有限元分析調(diào)取本研究項目基坑工程的施工時間段（8月24日—10月18日）的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，將ABAQUS中有限元模擬分析計算的數(shù)據(jù)與之對比分析，以研究綜合管廊基坑變形的變化趨勢，有限元計算與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比如圖1～3所示。

圖1 基坑邊坡頂面水平位移實際監(jiān)測值與模擬計算值對比

圖2 基坑邊坡頂面豎向位移監(jiān)測值與模擬計算值對比

圖3 地表沉降實際監(jiān)測值與模擬計算值對比

從總體變化趨勢角度而言，實際監(jiān)測的基坑邊坡頂面水平位移與ABAQUS的模擬計算相同，隨著基坑開挖與支護施工的不斷推進，基坑邊坡頂面水平位移值不斷變大，然而從圖1上可看出模擬計算值與實際監(jiān)測值相比偏小，施工初期實際監(jiān)測值為-3.6mm，ABAQUS有限元模擬計算值為 -3.1mm，二者差值最大達(dá)2.6mm。當(dāng)基坑邊坡頂面水平位移達(dá)到最大時，實際監(jiān)測值為 -12.7mm，ABAQUS有限元模擬計算值為-11.6mm，實際監(jiān)測值與模擬計算值差值為1.1mm。

從圖2可看出，從總體變化趨勢角度而言，實際監(jiān)測的基坑邊坡頂面豎向位移與ABAQUS的模擬計算相同，隨著基坑開挖與支護施工的不斷推進，基坑邊坡頂面豎向位移值不斷變大，然而從圖2上可看出模擬計算值與實際監(jiān)測值相比偏小，而且隨著時間推移，模擬計算值與實際監(jiān)測值的差值越來越大。施工初期基坑頂面豎向位移的實際監(jiān)測值為 -2.0mm，ABAQUS有限元模擬計算值為-1.0mm，二者之間差值為 1.0mm；在基坑頂面豎向位移達(dá)到最大值 -11.5mm時，ABAQUS有限元模擬計算值僅為 -8.0mm，二者差值也達(dá)到最大值3.5mm。分析出現(xiàn)該差值的原因是因為在進行有限元分析時，缺少對實際工況下時間效應(yīng)的考量，在基坑實際施工過程中，在所受荷載作用保持恒定的狀況下，基坑的變形會隨時間的推移而逐步變大，然而在ABAQUS軟件中，對于基坑分層開挖與支護的模擬處理均未考慮時間效應(yīng)，由此忽略了時間效應(yīng)的影響作用。模擬計算的誤差基本在允許范圍內(nèi)。

在ABAQUS有限元模擬分析中，基坑邊坡頂面的最大沉降值為8mm，而地表發(fā)生最大沉降的位置位于距離基坑邊坡的頂部約20 m處，地表最大沉降的模擬計算值為11.6mm，從最大沉降點向左右兩側(cè)延伸沉降值逐步變小。出現(xiàn)該結(jié)果的原因是基坑受噴錨護面層支護的影響，在錨桿與鋼筋片的固定約束作用下使邊坡的土體結(jié)構(gòu)得到較強加固，由此基坑邊坡頂面位置地表沉降并非最大值，距離基坑邊坡頂面越近的位置沉降值越小。

由圖3可分析得出，從總體變化趨勢角度而言，實際監(jiān)測基坑周邊地表發(fā)生的沉降與ABAQUS的模擬計算相同，隨著基坑開挖與支護施工的不斷推進，基坑周邊地表發(fā)生的沉降不斷變大，然而從圖上可看出，模擬計算值與實際監(jiān)測值相比較偏小，二者的差值開始逐步增大最后又逐漸變小，其中差值最大時達(dá)4.0mm，但最終地表沉降的實際監(jiān)測值為12.1mm，與模擬計算值11.6mm相差無幾，略大于模擬計算值。分析施工過程中實際監(jiān)測值與模擬計算值之間存在較大差距的原因，因為ABAQUS有限元分析是在理想狀態(tài)下所構(gòu)建的模型，然而在基坑明挖實際施工過程中，受到外部氣候環(huán)境、設(shè)備儀器、管理水平、施工技術(shù)及測量人員素質(zhì)等因素影響，在利用ABAQUS進行建模時無法將上述影響因素予以量化進去，由此最終有限元模擬計算值與實際監(jiān)測值存在差異難以避免?？傮w而言，有限元分析工具在一定程度上可對基坑的變形情況予以較好的呈現(xiàn)。

4.2 施工不同階段土體深層變形

根據(jù)前述劃分的施工不同階段，選擇位于基坑頂面邊緣外側(cè)3 m位置的剖面，對a～h階段邊坡土體深層的水平位移變化情況予以研究，結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出基坑土體在深層變形情況具有如下特點。

圖4 施工不同階段土體深層變形水平位移變化

1）基坑土體開挖完成后，在水平方向上2個相反方向位移的交界處出現(xiàn)在土體深度約27 m處，以該處為交界下部的土體向基坑內(nèi)側(cè)移動，上部土體向基坑外側(cè)移動?；娱_挖土體會導(dǎo)致基坑底部隆起，與此同時，基坑周邊的土體受自重影響也進一步使坑底部發(fā)生隆起。上述土體深層水平位移現(xiàn)象與基坑開挖施工的規(guī)律相吻合。

2）在明挖基坑施工初期階段，尤其是在施工階段a到施工階段c，即0到-8 m深度的施工階段，基坑開挖所產(chǎn)生的卸荷影響不是非常顯著，同時受到噴錨加固的影響，基坑土體深層水平位移較小，在明挖基坑施工的初期階段變形較小。

3）進入明挖基坑施工的中后期階段，隨著開挖深度持續(xù)增加，土體卸荷作用所帶來的影響變得愈來愈顯著，以施工階段 f（開挖至 -16.0 m）為例，該階段基坑側(cè)壁所受到的土體側(cè)向壓力顯著增大，地表處所發(fā)生水平位移達(dá)10.6mm，在施工階段 a時土體2個相反位移方向的交界深度約10 m，在施工階段f時土體2個相反位移方向的交界深度達(dá)27 m。從施工階段f（開挖至-16.0 m）到施工階段 h（開挖至-21 m）土體深層變形情況基本上一致，由此可認(rèn)為從施工階段f起基坑整體的變形情況已較為穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本研究借助ABAQUS有限元軟件，對成都市天府新區(qū)綜合管廊X L段明挖基坑工程進行建模，并進行有限元分析計算，對比分析了現(xiàn)場施工實際基坑變形數(shù)據(jù)與有限元模擬計算數(shù)據(jù)，得出結(jié)論如下。

1）通過ABAQUS軟件建模所計算出的數(shù)據(jù)結(jié)果，與現(xiàn)場實際施工監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果具有較好的一致性，驗證了本研究所構(gòu)建的材料本構(gòu)模型、參數(shù)、計算模型具有較好的適用性，受現(xiàn)場實際施工仍然存在一些無法量化于模型的因素影響，雖然模擬計算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)值存在少許差值，但有限元分析的計算結(jié)果可較好地反映出綜合管廊明挖基坑施工中的各類變形規(guī)律。

2）在噴射混凝土+鋼筋網(wǎng)片錨固的支護方式下，基坑頂部地表發(fā)生最大沉降的位置位于基坑邊坡頂部外側(cè)20 m處，從最大沉降點向左右兩側(cè)延伸沉降值逐步變小，驗證了噴錨加固體系具有較好的加固作用，減小了基坑邊坡頂部附近區(qū)域的沉降值。

3）本項目明挖深基坑的整體變形情況為土體自基坑內(nèi)側(cè)向外側(cè)隆起，底部土體上隆，基坑側(cè)壁發(fā)生偏移，在基坑開挖施工前期變形并不顯著，隨著開挖深度加深，進行三級放坡開挖時土體受到的卸荷作用影響愈來愈明顯，導(dǎo)致基坑側(cè)壁發(fā)生較為顯著的變形，在進入施工后期變形逐漸趨于穩(wěn)定。

本研究所建立的模型仍然存在著不足之處，在精度上可進一步提升，后續(xù)可通過延長縱向上的建模長度，以進一步深入分析綜合管廊基坑施工中的變形規(guī)律，以供實際施工參考。

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