基坑開(kāi)挖對(duì)周邊管線變形的數(shù)值模擬分析

黃潔敏

【摘 要】隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，深基坑的開(kāi)挖問(wèn)題已經(jīng)成為建筑工程中的重點(diǎn)關(guān)注。本文根據(jù)大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中周圍建筑地表沉降、地下水位等的監(jiān)測(cè)，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，通過(guò)有限元分析軟件進(jìn)行基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬，對(duì)典型剖面進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，重點(diǎn)預(yù)測(cè)分析周邊管線附加變形。結(jié)論對(duì)于密集建筑群中軟土地基上基坑的開(kāi)挖設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】基坑監(jiān)測(cè)；有限元數(shù)值模擬；變形

一、引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，土地資源十分緊缺，隨之而來(lái)的基坑工程施工越來(lái)越多，其開(kāi)挖深度也隨之不斷增加。不合理的土方開(kāi)挖、步驟和速度可能導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)樁基變位、支護(hù)結(jié)構(gòu)過(guò)大的變形，甚至引起支護(hù)體系失穩(wěn)而導(dǎo)致破壞，因此施工監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為工程中必不可缺的一部分[1-3]。

基坑工程具有很強(qiáng)的環(huán)境效應(yīng)，由于地下土體性質(zhì)、荷載條件等的不同，基坑的開(kāi)挖勢(shì)必會(huì)引起周圍地基地下水位的變化和應(yīng)力場(chǎng)的改變，導(dǎo)致周圍地基土體的變形，對(duì)周圍建（構(gòu)）筑物和地下管線產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的將危及其正常使用或安全[4-6]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于此問(wèn)題都進(jìn)行了相關(guān)的研究，但是由于施工的復(fù)雜性，僅靠理論分析和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)是難以把握施工的安全性，無(wú)法確保基坑周邊建（構(gòu)）筑物安全[7]。

本文運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬，取典型剖面進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算。有限元數(shù)值計(jì)算中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用彈性模型，考慮了土體和結(jié)構(gòu)之間的相互作用。計(jì)算模型模擬了初始地應(yīng)力場(chǎng)、鄰近管線對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響、圍護(hù)樁的施工和被動(dòng)區(qū)加固作用等影響因素，并通過(guò)單元生死模擬“順作法”基坑開(kāi)挖全過(guò)程，對(duì)基坑開(kāi)挖卸荷作用產(chǎn)生的周邊管線附加變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

二、工程概況及地質(zhì)條件

1.工程概況

本工程地處陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)X3-3地塊，北側(cè)為花園石橋路；東側(cè)為銀城中路；南側(cè)為待建工程場(chǎng)地；西側(cè)為在建的高寶金融大廈，開(kāi)挖深度約為19.10m。基地西南角為浦東電信局富都站，基地離建筑紅線的距離約為4.20m～11.40m。綜上所述，基地北側(cè)和東側(cè)環(huán)境保護(hù)要求相對(duì)較高，其余側(cè)環(huán)境較寬松，本基坑周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)為基地北側(cè)、基地東側(cè)道路以及市政管線等。

建筑上部結(jié)構(gòu)為38層結(jié)構(gòu)，設(shè)置三層地下室。基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)形式，基坑總面積約6400m2，周長(zhǎng)約317m，呈不規(guī)則方形狀，基坑最大開(kāi)挖深度可達(dá)19.10m。

2.水文地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)區(qū)，地貌類型屬濱海平原，地形平坦，自然地面標(biāo)高約為3.86m～4.44m。地面較為平整。

三、支護(hù)方案與周邊環(huán)境保護(hù)措施

1.支護(hù)方案

綜合考慮本工程周邊環(huán)境、道路、市政管線分布、基坑面積及形狀、基坑開(kāi)挖深度等因素，并考慮工程進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)性等因素，本基坑工程采用鉆孔灌注排樁結(jié)合止水帷幕+三道鋼筋混凝土支撐系統(tǒng)的順作法方案。

由于本工程開(kāi)挖深度較深，攪拌樁止水帷幕的深度已超過(guò)雙軸水泥土攪拌樁施工機(jī)械的施工極限深度，因此本方案采用三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，采用鉆孔灌注樁作為基坑的圍護(hù)體。在基坑豎向設(shè)置三道鋼筋混凝土水平支撐系統(tǒng)?；炷林蔚膭偠容^大，能有效地控制變形，從而提高施工效率，節(jié)省工期。

2.周邊環(huán)境保護(hù)措施

本工程周邊環(huán)境的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象為周邊的市政管線和道路等，本方案擬采取以下保護(hù)措施。

（1）對(duì)基坑影響范圍內(nèi)的道路、市政管線設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，基坑開(kāi)挖期間加強(qiáng)觀測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工速度，做到信息化施工。

（2）在基坑開(kāi)挖期間對(duì)坑外水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圍護(hù)體出現(xiàn)滲漏水，應(yīng)及時(shí)封堵，防止由于水位下降對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。

四、數(shù)值模擬

1.有限元模型的建立

（1）選取計(jì)算截面

采用通用有限元分析軟件進(jìn)行基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬，取基坑?xùn)|南側(cè)距離管線較近的典型剖面進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算。計(jì)算模型模擬了初始地應(yīng)力場(chǎng)、鄰近管線對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響、圍護(hù)樁的施工和被動(dòng)區(qū)加固作用等影響因素，并通過(guò)單元生死模擬“順作法”基坑開(kāi)挖全過(guò)程，對(duì)基坑開(kāi)挖卸荷作用產(chǎn)生的周邊管線附加變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

（2）土體本構(gòu)模型與結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

土體采用Mohr-Coulomb模型，該模型在巖土工程中應(yīng)用較多。計(jì)算中土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數(shù)由勘察報(bào)告提供，彈性模量則根據(jù)大量類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到。

（3）接觸面單元與網(wǎng)格剖分

采用彈塑性無(wú)厚度Goodman接觸面單元模擬圍護(hù)體、地下管線與土體和加固體之間相互作用。

2.有限元模型計(jì)算結(jié)果分析

采用通用有限元分析軟件進(jìn)行基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬，取基坑?xùn)|南側(cè)距離管線較近的典型剖面進(jìn)行彈塑性有限元計(jì)算，對(duì)基坑開(kāi)挖卸荷作用產(chǎn)生的周邊管線附加變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

對(duì)于東南側(cè)鄰近地下管線，由于基坑開(kāi)挖，坑內(nèi)土體向上隆起；坑外土體向坑內(nèi)方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致坑外地表沉降，距離基坑較近的地下管線產(chǎn)生的最大水平變形為13.65mm，最大沉降為17.70mm。

理論計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于東南側(cè)鄰近地下管線，距離基坑最近的Ф700配水管，距離12.51m，管道底部埋深1.8m，基坑開(kāi)挖引起的最大水平位移11.92mm，最大豎向沉降17.70mm；距離基坑較近的信息管道，距離21.43m，管道底部埋深1.2m，基坑開(kāi)挖引起的最大水平位移13.65mm，最大豎向沉降13.59mm；距離基坑22.99m的Ф700配水管，管道底部埋深1.6m，基坑開(kāi)挖引起的最大水平位移12.44mm，最大豎向沉降11.96mm。根據(jù)上述理論計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)，本方案能保證基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近管線的保護(hù)要求。

五、結(jié)論與建議

本文根據(jù)對(duì)基坑穩(wěn)定性、圍護(hù)體位移及基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物影響的有限元模擬分析，采用鉆孔灌注排樁及止水帷幕結(jié)合三道鋼筋混凝土支撐方案可以滿足基坑自身穩(wěn)定性和環(huán)境保護(hù)控制要求，通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的整理，得到以下結(jié)論：

（1）在基坑工程施工過(guò)程中，應(yīng)充分利用時(shí)空效應(yīng)原理，分塊對(duì)稱開(kāi)挖，要做到限時(shí)開(kāi)挖，跟進(jìn)支撐，盡量縮短無(wú)支撐暴露時(shí)間。

（2）基坑開(kāi)挖前應(yīng)保證有四周的預(yù)降水時(shí)間，降水開(kāi)始前，需對(duì)基坑內(nèi)外水位進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，以確保降水效果和圍護(hù)體的封閉性能。

（3）基坑工程的承壓水降壓方案應(yīng)結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和周邊環(huán)境特點(diǎn)制定，控制好降壓的時(shí)間和力度，在保證工程順利進(jìn)行的基礎(chǔ)上，盡量減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

（4）基坑施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)周邊環(huán)境的監(jiān)控，并根據(jù)監(jiān)測(cè)及時(shí)調(diào)整施工速度和施工工況，并對(duì)鄰近市政管線做好預(yù)埋跟蹤注漿管等保護(hù)措施。

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