某臨近電力管廊深基坑橫向變形數(shù)值模擬分析

魯海霞 張 偉

（河南科技大學(xué)，河南 洛陽 471000）

從工程實(shí)踐可以看出，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性是深基坑安全的重要保證。在保證深基坑工程安全的同時(shí)，往往需要考慮其經(jīng)濟(jì)效益，這對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了更高更嚴(yán)格的要求。深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)一直是基坑工程研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，尤其是周圍設(shè)施要求其變形控制更嚴(yán)格的區(qū)域，基坑的安全牽涉到的經(jīng)濟(jì)和安全也更加重要。國內(nèi)外關(guān)于基坑支護(hù)及監(jiān)測(cè)研究開展了大量的工作，由于場地或者區(qū)域不同，土質(zhì)性質(zhì)不能完全復(fù)制，周圍環(huán)境也不盡相同，目前對(duì)基坑監(jiān)測(cè)的技術(shù)和理論也是在發(fā)展的過程中，尤其如何提高數(shù)值模擬的可靠度等，還有很大的研究空間。

1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，越來越多的支護(hù)方法被用于建筑基礎(chǔ)和邊坡的支護(hù)。結(jié)合該研究案例的實(shí)際情況，擬采用的支護(hù)方式是選擇雙排樁、內(nèi)支撐、錨索進(jìn)行組合。

1.1 雙排樁

與單排樁相比，樁體數(shù)量不增加或者增加較少時(shí)，改變其排列方式，前后排樁對(duì)應(yīng)或梅花形布置，樁頂用冠梁銜接。性能：側(cè)向剛度大、水平位移小、受力合理。但是，與單排樁相比，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)所占區(qū)域有所增大。受力計(jì)算較復(fù)雜。需要結(jié)合有限元分析模型計(jì)算。其在受力上屬于懸臂類空間組合支護(hù)形式，往往與內(nèi)支撐或錨索進(jìn)行組合使用才能達(dá)到良好的效果。

1.2 內(nèi)支撐

深基坑中，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)往往是懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，豎向難以支撐，內(nèi)支撐的存在相當(dāng)于減少了豎向受力構(gòu)件的計(jì)算高度，使支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性較好，且不受外圍場地的限制。

1.3 錨索

布置合理的錨固結(jié)構(gòu)，能夠加固巖土體的同時(shí)使錨固力通過腰梁或者冠梁傳給支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圍護(hù)的整體性。經(jīng)濟(jì)性能較優(yōu)，施工便捷。但是，周圍有低層建筑或地下室、砂土和礫石層、高水位土層、軟土層、腐蝕性地層，這些區(qū)域不適合選用。

2 工程概況

2.1 工程簡述

該項(xiàng)目基坑呈“L”形，東西最長約28.6m，南北最長約35.6m；主體設(shè)計(jì)標(biāo)注的±0.000m對(duì)應(yīng)的是158.500m絕對(duì)標(biāo)高，自然地面整平后絕對(duì)標(biāo)高約為158.000m。

該基坑西側(cè)臨近已投入使用的洛陽市軌道交通1號(hào)線電力管廊及檢修井，基坑對(duì)管廊的影響區(qū)間為K3+280.000～K3+330.000，管廊為 DN2000 混凝土頂管， 埋深約7.5m；受影響的檢修井為ZHJ10 號(hào)井，尺寸為8.0m×5.0m（長×寬），底部埋深約8.8m。電力管廊外緣距基坑上口線最小平距約為3.720m，距基坑支護(hù)樁外邊緣約4.130m；檢修井外緣距基坑上口線最小平距約為1.780m，距基坑支護(hù)樁外邊緣約2.267m。

2.2 工程地質(zhì)水文條件

擬建場地基本整平，各勘探點(diǎn)孔口標(biāo)高基本在156.74m～157.32m，高差基本在0.58m以內(nèi)。地貌單元屬澗河Ⅱ級(jí)階地。擬建場地位于華北斷塊內(nèi)，根據(jù)該區(qū)域地質(zhì)及歷史資料，該場地未出現(xiàn)相關(guān)活動(dòng)斷裂。根據(jù)勘察數(shù)據(jù)，地下水位埋深在自然地面下22.50m～23.30m，相對(duì)初見水位標(biāo)高應(yīng)在134.00m～134.80m；穩(wěn)定水位在自然地面下約22.00m～23.00m，相應(yīng)穩(wěn)定水位標(biāo)高在約135.10m～135.66m。根據(jù)洛陽地方相關(guān)資料顯示數(shù)據(jù)，抗浮設(shè)防水位設(shè)計(jì)值按139.0m。

2.3 地鐵保護(hù)范圍內(nèi)基坑支護(hù)方案

基坑支護(hù)平面圖如圖1所示。1-1剖面采用上部放坡+下部雙排樁+錨索支護(hù)方式（該文研究重點(diǎn)，臨近電力管廊一側(cè)）。2-2剖面采用上部放坡+下部雙排樁+內(nèi)支撐支護(hù)方式。2，-2，剖面采用上部土釘墻+下部雙排樁+內(nèi)支撐支護(hù)方式。3-3剖面采用上部放坡+下部雙排樁支護(hù)方式。

圖1 基坑支護(hù)平面示意圖

3 數(shù)值模擬分析

3.1 基本假定

在建模和計(jì)算過程中，不可能全部考慮所有的因素，而是要分清楚主次，抓住主要的關(guān)鍵的因素，忽略次要的非必需的因素，并結(jié)合土質(zhì)類別，分析其主要特征，具體問題進(jìn)行適當(dāng)簡化。所以本次計(jì)算數(shù)值模擬采用了以下假設(shè)。1）在應(yīng)力場初始模擬時(shí)，僅考慮自重應(yīng)力的影響，不考慮構(gòu)造應(yīng)力的影響。2）按照理想的彈塑性材料去考慮圍巖-土壤材料，也就是按照一種均勻各向同性的連續(xù)介質(zhì)材料考慮。模擬過程中采用修正的庫侖-摩爾彈塑性模型，這主要是基于宏觀材料特性。計(jì)算時(shí)土體采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。同時(shí)，該工程CFG樁密集設(shè)置，土體參數(shù)得到了一定的改善，所以對(duì)該工程的復(fù)合地基也進(jìn)行了模擬。3）基坑開挖過程中，荷載不斷變化。為了便于計(jì)算和模擬，將不同施工階段的荷載變化細(xì)化為一定數(shù)量的荷載變化，模擬地層應(yīng)力隨施工進(jìn)度的變化。4）邊界條件模擬。計(jì)算土壤底面的垂直Z位置；側(cè)面分別限制橫向x和縱向y的位移，表面為自由表面。

3.2 本構(gòu)模型

采用修正的莫爾-庫侖本構(gòu)模型模擬了非線性彈性模型和冪律彈塑性模型的組合模型。修正的莫爾-庫侖本構(gòu)模型的剪切屈服面與莫爾-庫侖本構(gòu)模型的剪切屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓帽本構(gòu)模型。此外，修正后的莫爾-庫侖本構(gòu)模型的剪切屈服面和壓縮屈服面是獨(dú)立的，剪切方向和壓縮方向采用雙硬化模型。與莫爾-庫侖本構(gòu)模型相比，修正后的莫爾-庫侖本構(gòu)模型更適用于開挖模型。

3.3 材料參數(shù)

參考洛陽地鐵1號(hào)線的工程圖紙?jiān)O(shè)計(jì)情況以及本基坑的支護(hù)方案設(shè)計(jì)圖紙，主要材料見表1，材料彈性模量根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（2015 年版）》（GB 50010—2010）取用。

表1 鋼筋混凝土材料參數(shù)

3.4 土層參數(shù)

根據(jù)該醫(yī)院巖土工程勘察報(bào)告，具體的土層力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表2 土層參數(shù)

3.5 模型施工工序劃分

土方情況直接影響著支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍設(shè)施的受力和變形情況，該研究根據(jù)擬采用的施工工序，分析建立了基坑、電力管廊以及周邊建筑物的有限元模型。該項(xiàng)目基坑支護(hù)具體施工模擬見表3。

3.6 有限元模型

為了模擬結(jié)果更加接近工程實(shí)際，使其變形和受力特征也更加和實(shí)踐貼合，該深基坑建立模型時(shí)用MIDAS/GTS三維的方法選取深基坑西側(cè)支護(hù)典型剖面1-1剖面進(jìn)行建模。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019），基坑有效影響范圍為3倍的基坑開挖深度，因此模型大小取120m×130m×50m。模型共有100910個(gè)單元，65772個(gè)節(jié)點(diǎn)。有限元三維整體計(jì)算模型如圖2所示，管廊結(jié)構(gòu)與基坑相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示。

圖2 三維整體模型

圖3 管廊結(jié)構(gòu)與基坑相對(duì)位置關(guān)系圖

3.7 電力管廊橫向位移分析

關(guān)于該醫(yī)院基坑工程施工過程對(duì)洛陽市城市軌道交通1號(hào)線牡丹廣場主變電所外部電源電纜廊道的影響，該數(shù)據(jù)模型按照表3的工況劃分，重點(diǎn)分析了臨近基坑的3個(gè)重要構(gòu)筑物：電力管廊、檢查井、電力管廊和檢修井間的變形縫、支撐體系，作為對(duì)整個(gè)支撐體系及周圍設(shè)施的安全性能評(píng)估。關(guān)于臨近基坑段電力管廊，該文進(jìn)行了橫向、縱向和豎向位移分析。由于縱向和豎向變形較小，均小于1mm，在此不對(duì)其進(jìn)行分析。

表3 基坑支護(hù)具體施工工序模擬

根據(jù)14次數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，繪制得出在基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高并回填至原始地面后的電力管廊變形情況?；娱_挖至基坑回填整個(gè)施工過程中電力管廊結(jié)構(gòu)的最大位移為橫向位移，各工況對(duì)應(yīng)的電力管廊最大橫向位移具體結(jié)果見圖5。橫向變形較大，會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的后果。所以，該文僅對(duì)橫向變形的數(shù)值進(jìn)行數(shù)值分析。圖4為基坑進(jìn)行第八次開挖時(shí)電力管廊的位移分析，其顯示出該工況下，電力管廊變形的最大值與最小值出現(xiàn)的位置。

圖4 第八次開挖

根據(jù)圖5計(jì)算統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，該工程基坑施工過程中對(duì)電力管廊橫向位移有明顯影響，主要表現(xiàn)為向基坑側(cè)偏移。通過分析各施工階段電力管廊橫向位移變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)電力管廊橫向位移隨基坑施工過程有增大的趨勢(shì)，在開挖至基坑底時(shí)達(dá)到2.241 mm，到基坑回填至地面時(shí)的達(dá)到最大值2.380 mm，同時(shí)在第八個(gè)開挖工況變形增量最大，雖然最大值尚在控制值的范圍內(nèi)，但是為現(xiàn)場監(jiān)測(cè)提供理論建議。圖4表明，電力管廊最大橫向位移出現(xiàn)在正對(duì)基坑中部位置。因此，當(dāng)基坑開挖最后一層土?xí)r，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)適當(dāng)加強(qiáng)對(duì)電力管廊的監(jiān)測(cè)，特別是正對(duì)基坑中部處的管廊結(jié)構(gòu)。

圖5 各階段對(duì)應(yīng)的電力管廊最大橫向位移

該節(jié)主要闡述的是使用Midas/GTS模擬軟件對(duì)某醫(yī)院深基坑工程對(duì)其臨近電力管廊的橫向位移進(jìn)行建模和分析。當(dāng)然，國內(nèi)外關(guān)于臨近電力管廊的基坑支護(hù)確實(shí)有部分研究，由于場地或者區(qū)域不同，土質(zhì)性質(zhì)不能完全復(fù)制，周圍環(huán)境也不同，因此不能死板地黏貼復(fù)制，但是可以提供給類似工程參考價(jià)值，尤其要重視基坑及其臨近設(shè)施的橫向變形。

4 結(jié)語

該文以洛陽某醫(yī)院基坑工程為研究對(duì)象，根據(jù)洛陽典型地質(zhì)條件，在確定深基坑支護(hù)方案的情況下對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行研究。采用理論分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形模式，并對(duì)建筑物荷載和車輛荷載進(jìn)行等效，然后對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力，并建立數(shù)值模型模擬實(shí)際施工，利用模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果去論證模型的科學(xué)性，最后利用該文數(shù)據(jù)對(duì)工程實(shí)際進(jìn)行安全評(píng)估。這也為該地區(qū)其他類似工程提供一定的參考價(jià)值。但是，該文在模型建立部分，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)相對(duì)來說更理想化，整個(gè)開挖過程模擬與工程現(xiàn)場實(shí)際存在一定的差異性，在今后的研究中會(huì)更加關(guān)注材料參數(shù)的確定和更貼近現(xiàn)場實(shí)際情況的模擬。