基坑施工對周邊環境保護的影響分析

王 琛

（廣州誠信公路建設監理咨詢有限公司，廣東 廣州 511431）

基坑施工對周邊環境保護的影響分析

王 琛

（廣州誠信公路建設監理咨詢有限公司，廣東 廣州 511431）

文章旨在分析山區高速公路管理中心綜合樓基坑施工對于相鄰隧道受力影響，通過有限元計算分析開挖下圍護結構、近臨既有隧道和周邊地層的變形和內力，以對現場施工做出合理預測，減少風險。

基坑支護；有限元；環境保護；plaxis 2d

擬建管理中心改擴建項目工程概況見表1。因地勢起伏，A座綜合樓基坑深度約3～9m，開挖范圍內為人工填土，西側約9m，南北側約5m，東側高度小，基坑工程安全等級為二級。B座綜合樓基坑主要支護西側、北側深度約5～7m，開挖范圍內為人工填土、坡積土和全風化巖，北側現為板房，西側距離盤山路8m。基坑工程安全等級為二級。擬采取樁錨支護。B座綜合樓基坑開挖場地位于隧道口與盤山公路交匯處，距離隧道南線最近處僅12.2m，因此需要通過有限元計算分析開挖下圍護結構、近臨既有隧道和周邊地層的變形和內力，以對現場施工做出合理預測，減少風險。

擬采用大型商業通用有限元分析軟件plaxis2d按連續介質有限元方法進行彈塑性分析。該軟件具有強大的非線性分析能力，在國內外巖土工程數值分析中得到廣泛的應用，對于基坑開挖及降水全過程模擬有相當的精確度。

表1 建筑和構筑物概況

1 模型參數選取

1.1 模型尺寸及網格劃分

根據基坑開挖對周邊的影響范圍，合理選取模型尺寸可減少邊界條件對計算結果的影響。計算模型尺寸為100m（X方向）×30m（Y方向），基坑深度為5.6m，隧道中心間距25m，左側距離基坑為12.2m。模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 本構模型

（1）土體采用應變強化土模型（HS）。不同于理想彈塑性模型，硬化塑性模型的屈服面在主應力空間中不是固定的，而是由塑性應變的發生而膨脹。硬化可以分為兩種主要的類型，分別是剪切硬化和壓縮硬化。剪切硬化用于模擬主偏量加載帶來的不可逆應變。壓縮硬化用于模擬固結儀加載和各向同性加載中主壓縮帶來的不可逆塑性應變。這兩種類型的硬化都包含在當前的模型之中。Hardening-Soil模型是一個可以模擬包括軟土和硬土在內的不同類型的土體行為的先進模型（Schanz，1998）。在主偏量加載下，土體的剛度下降，同時產生了不可逆的塑性應變。在一個排水三軸試驗的特殊情況下，觀察到軸向向應變與偏差應力之間的關系可以很好地由雙曲線來逼近。Kondner（1963）最初闡述了這種關系，后來這種關系用在了著名的雙曲線模型（Duncan & Chang,1970）中。然而，Hardening-Soil模型目前已經取代了這種雙曲模型。首先，它使用的是塑性理論，而不是彈性理論。其次它考慮了土體的剪脹性。再次，它引入了一個屈服帽蓋。模型的一些基本特征如下：

剛度依據某個冪率的應力相關性。輸入參數m

依據Mohr-Coulomb模型的破壞模式。輸入參數c，φ，ψ。

當前Hardening-Soil模型的一個基本特征是土體剛度是應力相關的。比如當應力和應變是在固結儀條件下時，模型隱含的關系是：

在軟土這一特殊情況下，使用m=1是現實的。這時，軟土模型中所用修正壓縮指數λ*和固結儀加載模量之間存在如下簡單關系：

圖2 標準排水三軸試驗主加載下雙曲型應力-應變關系

在這里qa是抗剪強度的漸進值。

（2）其他單元本構模型。①計算中，圍護樁、抗拔樁采用等效剛度法可簡化為h厚的板：

式中：d為排樁直徑；bk為排樁間距。

圍護樁、錨桿、隧道等材料變形較小，均處于彈性階段，采用彈性模型進行模擬。

②材料參數取值。對相似土層作了合并，計算中不同土層的模型參數、重度、側壓力等，從地質報告中得到，其他通過地質報告中的數據，結合理論、經驗及軟件說明中的公式進行推導反演分析得到。主要參數見表2。

表2 土體計算參數表

③邊界條件。模型底部約束條件為水平、豎直方向都固定；模型兩側約束條件為水平方向固定，豎直方向自由。

2 分析結果

2.1 模擬工況

根據基坑圍護圖紙，對基坑開挖的工況模擬如表3所示。

表3 施工步驟一覽表

2.2 計算結果

計算結果如圖3～13所示。

圖3 施工后土體水平位移

圖4 施工后土體豎向位移

圖5 圍護墻水平位移

圖6 圍護墻彎矩

圖7 圍護墻軸力

圖8 圍護墻剪力

圖9 隧道變形

圖10 隧道初始彎矩

圖11 隧道最終彎矩

圖12 隧道初始軸力

圖13 隧道最終軸力

3 結束語

根據上述計算：圍護墻水平變形為23.7mm，滿足《基坑支護技術規范》要求的二級基坑錨桿支護體系0.006h=33.6mm的限值。左側隧道最大變形為0.58mm，彎矩增加19.93kNm，軸力增加了10.5kN，經計算滿足規范要求。

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2096-2789（2016）11-0036-03