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(jìn)城市地下綜合管廊建設(shè)的指導(dǎo)意見》，大力推動(dòng)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(jìn)行地下綜合管廊建設(shè)時(shí)，由于涉及諸多深基坑施工，同時(shí)開挖尺寸在不斷增加，綜合管廊基坑施工的安全支護(hù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)象，采用ABAQUS對(duì)土體與基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)建模，分析基坑開挖支護(hù)等施工過程中的變形，通過數(shù)值模擬計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)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(jí)，其中一級(jí)邊坡坡度為1∶1.5，二級(jí)邊坡與三級(jí)邊坡坡度均為1：1.75。坡面護(hù)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(hù)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(duì)護(hù)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(hù)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(duì)稱形式，選取其中一半結(jié)構(gòu)創(chuàng)建3 D模型，以提升計(jì)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(jì)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(hù)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(hù)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(duì)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(shí)現(xiàn)模擬效果。此外，針對(duì)土體模型的邊界約束設(shè)置為：前后左右4個(gè)平面均為法向約束，底部平面采用3個(gè)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(gè)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(hù)8 cm進(jìn)行護(hù)面，在下一層開挖前要待上層噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%方可開始施工。

3 計(jì)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(xiàng)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(hù)面，將內(nèi)部的 H P B 300φ8鋼筋網(wǎng)片考慮在內(nèi)，護(hù)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(xiàng)目基坑工程的施工時(shí)間段（8月24日—10月18日）的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，將ABAQUS中有限元模擬分析計(jì)算的數(shù)據(jù)與之對(duì)比分析，以研究綜合管廊基坑變形的變化趨勢(shì)，有限元計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖1～3所示。

圖1 基坑邊坡頂面水平位移實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比

圖2 基坑邊坡頂面豎向位移監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比

圖3 地表沉降實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算值對(duì)比

從總體變化趨勢(shì)角度而言，實(shí)際監(jiān)測(cè)的基坑邊坡頂面水平位移與ABAQUS的模擬計(jì)算相同，隨著基坑開挖與支護(hù)施工的不斷推進(jìn)，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(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值相比偏小，施工初期實(shí)際監(jiān)測(cè)值為-3.6mm，ABAQUS有限元模擬計(jì)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(shí)，實(shí)際監(jiān)測(cè)值為 -12.7mm，ABAQUS有限元模擬計(jì)算值為-11.6mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算值差值為1.1mm。

從圖2可看出，從總體變化趨勢(shì)角度而言，實(shí)際監(jiān)測(cè)的基坑邊坡頂面豎向位移與ABAQUS的模擬計(jì)算相同，隨著基坑開挖與支護(hù)施工的不斷推進(jìn)，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(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值相比偏小，而且隨著時(shí)間推移，模擬計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的差值越來越大。施工初期基坑頂面豎向位移的實(shí)際監(jiān)測(cè)值為 -2.0mm，ABAQUS有限元模擬計(jì)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(shí)，ABAQUS有限元模擬計(jì)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?yàn)樵谶M(jìn)行有限元分析時(shí)，缺少對(duì)實(shí)際工況下時(shí)間效應(yīng)的考量，在基坑實(shí)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(huì)隨時(shí)間的推移而逐步變大，然而在ABAQUS軟件中，對(duì)于基坑分層開挖與支護(hù)的模擬處理均未考慮時(shí)間效應(yīng)，由此忽略了時(shí)間效應(yīng)的影響作用。模擬計(jì)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(jì)算值為11.6mm，從最大沉降點(diǎn)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(hù)面層支護(hù)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(qiáng)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(shì)角度而言，實(shí)際監(jiān)測(cè)基坑周邊地表發(fā)生的沉降與ABAQUS的模擬計(jì)算相同，隨著基坑開挖與支護(hù)施工的不斷推進(jìn)，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(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)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(shí)達(dá)4.0mm，但最終地表沉降的實(shí)際監(jiān)測(cè)值為12.1mm，與模擬計(jì)算值11.6mm相差無幾，略大于模擬計(jì)算值。分析施工過程中實(shí)際監(jiān)測(cè)值與模擬計(jì)算值之間存在較大差距的原因，因?yàn)锳BAQUS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(shí)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(cè)量人員素質(zhì)等因素影響，在利用ABAQUS進(jìn)行建模時(shí)無法將上述影響因素予以量化進(jìn)去，由此最終有限元模擬計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)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(diǎn)。

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(gè)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(dòng)，上部土體向基坑外側(cè)移動(dòng)?；娱_挖土體會(huì)導(dǎo)致基坑底部隆起，與此同時(shí)，基坑周邊的土體受自重影響也進(jìn)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(shí)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(jìn)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(shí)土體2個(gè)相反位移方向的交界深度約10 m，在施工階段f時(shí)土體2個(gè)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(duì)成都市天府新區(qū)綜合管廊X L段明挖基坑工程進(jìn)行建模，并進(jìn)行有限元分析計(jì)算，對(duì)比分析了現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際基坑變形數(shù)據(jù)與有限元模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，得出結(jié)論如下。

1）通過ABAQUS軟件建模所計(jì)算出的數(shù)據(jù)結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果具有較好的一致性，驗(yàn)證了本研究所構(gòu)建的材料本構(gòu)模型、參數(shù)、計(jì)算模型具有較好的適用性，受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jì)算值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值存在少許差值，但有限元分析的計(jì)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(hù)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(diǎn)向左右兩側(cè)延伸沉降值逐步變小，驗(yàn)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(xiàng)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(jìn)行三級(jí)放坡開挖時(shí)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(jìn)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(jìn)一步提升，后續(xù)可通過延長縱向上的建模長度，以進(jìn)一步深入分析綜合管廊基坑施工中的變形規(guī)律，以供實(shí)際施工參考。

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