某下立交通道基坑開挖數(shù)值模擬分析

付武榮 呂俊杰

上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 上海 200433

伴隨著城市改造升級(jí)與立體開發(fā)，基坑周邊往往緊貼各種重要的建（構(gòu)）筑物，如軌道交通設(shè)施、地下管線、隧道、天然地基民宅、大型建筑物等，對(duì)設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)都提出了更高的要求[1-3]。

本文依托上海某下立交工程項(xiàng)目，利用Midas GTS NX有限元分析軟件，對(duì)其中的條形基坑進(jìn)行數(shù)值模擬，并通過與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比，確定了合適的小應(yīng)變硬化土模型參數(shù)。

1 工程概況

某下立交通道主體工程分為頂管段、明挖暗埋段、明挖敞開段以及頂管始發(fā)井和接收井等工段，地道為雙向分離式，其中頂管段長445 m，明挖暗埋段長174 m，明挖敞開段長205 m，始發(fā)井長15 m，接收井長11 m，總計(jì)850 m（單幅）。

頂管斷面尺寸為9.9 m×8.15 m；明挖段分離式單幅地道寬9.7～10.1 m，共板處寬19.0 m。工程的整體模型如圖1所示。

圖1 工程整體模型

本項(xiàng)目最大勘探深度為80.3 m。在勘探深度范圍內(nèi)，地層根據(jù)其形成年代、成因類型及工程性質(zhì)特征自上至下可劃分為9個(gè)大層和若干亞層，分別為①1雜填土、①2浜底淤泥、①3浜填土、②1粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③T黏質(zhì)粉土、④淤泥質(zhì)填土、⑤1黏土、⑤1T黏質(zhì)粉土、⑤3黏土、⑤4粉質(zhì)黏土、⑤4T泥炭質(zhì)土、⑥粉質(zhì)黏土、⑦粉砂、⑧1黏土、⑧2-1粉質(zhì)黏土與粉砂互層、⑧2-2粉質(zhì)黏土與粉砂互層、⑧2-3粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑨1細(xì)砂、⑨1T粉質(zhì)黏土夾粉砂，其中，第②～⑤層為全新世Q4沉積層，第⑥～⑨層為晚更新世Q3沉積層。

本工程基坑開挖范圍內(nèi)土層主要為：①1層、②1層、③層、③T層和④層。

2 模型建立

由于整個(gè)項(xiàng)目體量較大，在保證網(wǎng)格劃分精度的前提下，全部建模會(huì)導(dǎo)致模型單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量過多，影響計(jì)算時(shí)間，因此根據(jù)研究需要，將模型分段建模。本文模型分析對(duì)象選擇頂管始發(fā)井北側(cè)的明挖暗埋段，該段長70 m，寬30 m，開挖深度從13 m漸變至10 m，為典型的條形基坑。

由于頂管始發(fā)井與明挖暗埋段相鄰，且工期也緊鄰，故一并建模并進(jìn)行分析。因此，模型開挖分為兩部分：頂管工作井開挖土方為15 m×34.7 m×15 m，圍護(hù)為厚1 000 mm地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深度34 m，開挖深度14.7 m，分4層開挖。長70 m的暗埋段，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為厚800 mm地下連續(xù)墻，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度32 m，開挖深度從13 m漸變至10 m，開挖層數(shù)從4層漸變至3層。其中頂層支撐為800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，其余支撐為φ609 mm鋼管支撐。

明挖暗埋段基坑寬度30 m，相鄰的頂管始發(fā)井開挖寬度34.7 m，建模時(shí)，模型中單側(cè)開挖影響范圍應(yīng)取基坑最大寬度的2倍以上，本文模型中取80 m；明挖暗埋段基坑與頂管始發(fā)井的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最深為34 m，建模時(shí)，模型中土層總深度應(yīng)取圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度的1.5倍以上，本文模型中取60 m。故模型總尺寸取200 m×200 m×60 m。按照地勘資料，地層中部分層厚度較小，為簡化計(jì)算，將厚度很小的土層忽略，最后簡化為7層土體。

模擬段模型剖面（圖2）。根據(jù)施工流程，先施工頂管始發(fā)井（圖2中左側(cè)較寬部分），分4層開挖，實(shí)際施工中從開挖到結(jié)構(gòu)回筑結(jié)束才開挖右側(cè)明挖段基坑，故該部分的施工工序暫不模擬。明挖暗埋段從遠(yuǎn)離工作井一側(cè)開始開挖，水平方向分3段，垂直方向從3層增加至4層。

圖2 模擬段整體模型

在此項(xiàng)目中，由于條形基坑的開挖深度在基坑長度方向發(fā)生改變，如果土層建模采用一般方法水平簡化，與傾斜開挖段會(huì)形成很小的夾角，影響網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算的收斂性，故傾斜開挖段的土層按開挖的角度來劃分，以改善網(wǎng)格質(zhì)量（見圖2）。

3 參數(shù)取值

從基坑工程的模擬精度角度考慮，目前模擬過程中土體一般取修正摩爾-庫侖模型或者小應(yīng)變硬化模型[4-5]，本文采用小應(yīng)變硬化模型，參數(shù)取值參照該項(xiàng)目的地勘報(bào)告，7層土體主要參數(shù)如表1所示。

表1 模型所采用的各土層參數(shù)

本次基坑工程數(shù)值模擬中，支撐結(jié)構(gòu)和灌注樁均采用1D單元模擬，鋼腰梁采用桁架單元，鋼筋混凝土支撐、灌注樁以及格構(gòu)式立柱樁建模時(shí)忽略鋼筋部分，以最不利的純混凝土模型來考慮，采用梁單元模擬。由于明挖暗埋段的鋼支撐采用了伺服軸力系統(tǒng)，軟件中無法直接模擬，故采用監(jiān)測報(bào)告中的軸力數(shù)值，以集中力的形式加載到地下連續(xù)墻單元的節(jié)點(diǎn)上?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，需對(duì)三軸攪拌樁、SMW工法樁等圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效剛度代換，以保證精度，本次模擬的圍護(hù)結(jié)構(gòu)正是地下連續(xù)墻，無需進(jìn)行剛度等效。

對(duì)于地下連續(xù)墻，采用板單元模擬，材料取混凝土，關(guān)鍵參數(shù)就是混凝土的彈性模量，以及板的厚度。在實(shí)際地下連續(xù)墻變形時(shí)，受拉側(cè)混凝土超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)會(huì)開裂，導(dǎo)致剛度減小[6]，另一方面，地下連續(xù)墻混凝土澆筑過程中的質(zhì)量控制難度也較高，因此可以考慮對(duì)混凝土的彈性模量或者板的厚度進(jìn)行一定的折減，由于監(jiān)測報(bào)告中的水平位移值較大，因此在模型中對(duì)圍護(hù)墻的厚度取實(shí)際的0.9倍。

4 模擬結(jié)果

本模型中影響圍護(hù)墻水平位移的主要因素有：圍護(hù)墻深度范圍內(nèi)的土體參數(shù)，圍護(hù)墻的材料強(qiáng)度、自身剛度，以及支撐軸力[7-9]。選取頂管始發(fā)井以及長70 m的暗埋段在施工過程中的地下連續(xù)墻變形為主要對(duì)比數(shù)據(jù)，地下連續(xù)墻測斜管監(jiān)測點(diǎn)每邊2個(gè)，共8個(gè)，取沿道路中心線一側(cè)的4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果比對(duì)（圖3），測點(diǎn)CX2、CX7、CX8、CX9的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比曲線見圖4～圖7。

圖3 監(jiān)測點(diǎn)平面布置

圖4 CX2監(jiān)測點(diǎn)地下連續(xù)墻變形對(duì)比

圖5 CX9監(jiān)測點(diǎn)地下連續(xù)墻變形對(duì)比

對(duì)于土體參數(shù)，無論是修正摩爾-庫侖模型，還是小應(yīng)變硬化模型，控制變形的主要參數(shù)都是土體三軸試驗(yàn)中的割線剛度（E5re0f）和卸載/再加載彈性模量（Eurerf）[10]，這2個(gè)參數(shù)一般根據(jù)規(guī)范或者經(jīng)驗(yàn)，以地勘報(bào)告的Es1-2為基準(zhǔn)取值。本文采用的是規(guī)范中上海地區(qū)典型土層小應(yīng)變硬化模型主要參數(shù)的取值方法，從圖4和圖5可見，根據(jù)CX2和CX9兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對(duì)比效果可見，該取值方法能較為準(zhǔn)確地模擬土體變形效果。綜合對(duì)比圖6、圖7中CX7和CX8兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，可見在伺服軸力施加值基本一致的情況下，CX7三個(gè)階段的實(shí)測圍護(hù)墻最大水平位移分別為4.0、16.0、27.0 mm，而CX8三個(gè)階段的實(shí)測圍護(hù)墻最大水平位移分別為6.9、10.1、19.1 mm。這是由于在同階段，CX7處的開挖深度比CX8處的開挖深度大約深1 m，且CX7處的支撐形式為斜撐，CX8處的支撐形式為對(duì)撐，CX8處伺服軸力可全部用于抵抗變形，而CX7處只有45°方向上的分力來抵抗變形，故CX7處的變形程度及增長趨勢(shì)大于CX8，在模擬數(shù)據(jù)中可以清晰反映出這一趨勢(shì)。

圖6 CX7監(jiān)測點(diǎn)地下連續(xù)墻變形對(duì)比

圖7 CX8監(jiān)測點(diǎn)地下連續(xù)墻變形對(duì)比

另外，從圖6、圖7中所示的CX7和CX8監(jiān)測點(diǎn)的曲線可見，在－2.5 m深度左右有一定的往基坑外方向的變形，這是因?yàn)樵谠撎幱兴欧S力鋼支撐。以CX8監(jiān)測點(diǎn)在開挖完全部土層的狀態(tài)為例（圖8），將采用伺服軸力系統(tǒng)的鋼支撐用普通鋼支撐代替，模擬開挖完成之后可見，普通鋼支撐中的軸力明顯小于實(shí)際中施加的伺服軸力（表2），地下連續(xù)墻也沒有往基坑外部土體內(nèi)水平位移的趨勢(shì)；往基坑內(nèi)部的變形也明顯大于采用伺服軸力時(shí)的變形。因此，伺服軸力系統(tǒng)可更好地，且可控地減少圍護(hù)向基坑內(nèi)部的變形。

圖8 CX8監(jiān)測點(diǎn)不同鋼支撐模擬對(duì)比

表2 CX8監(jiān)測點(diǎn)開挖完成時(shí)軸力對(duì)比

全階段的模擬數(shù)據(jù)均小于實(shí)測數(shù)據(jù)，可能的原因之一是本次模擬中沒有考慮降水的影響，在進(jìn)行基坑內(nèi)部降水后，會(huì)增大地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)部的變形。

5 結(jié)語

通過對(duì)上海某下立交通道基坑開挖過程進(jìn)行的數(shù)值模擬，可得到如下結(jié)論：

1）當(dāng)基坑開挖層不是水平開挖時(shí)，建議土層按基坑的開挖線來分層建模，避免形成很小的夾角，影響建模網(wǎng)格的質(zhì)量。

2）伺服軸力鋼支撐相較于普通鋼支撐，能更好地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的增長，將伺服鋼支撐軸力以點(diǎn)荷載的形式進(jìn)行施加，可以在相當(dāng)程度上較好地解決伺服鋼支撐的模擬問題。

3）精細(xì)化的數(shù)值模型可以得出與實(shí)測結(jié)果相近的地下連續(xù)墻變形數(shù)據(jù)，可以作為基坑開挖前的預(yù)測手段。

4）本文暫時(shí)沒有考慮地下水的作用，后續(xù)研究中需考慮降水對(duì)基坑變形的影響。