基坑開挖對周邊管線變形的數值模擬分析

黃潔敏

【摘 要】隨著城市建設的不斷發展，深基坑的開挖問題已經成為建筑工程中的重點關注。本文根據大量的現場實測數據，通過對基坑開挖過程中周圍建筑地表沉降、地下水位等的監測，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，通過有限元分析軟件進行基坑開挖數值模擬，對典型剖面進行彈塑性有限元計算，重點預測分析周邊管線附加變形。結論對于密集建筑群中軟土地基上基坑的開挖設計具有一定的借鑒意義。

【關鍵詞】基坑監測；有限元數值模擬；變形

一、引言

隨著城市建設的不斷發展，土地資源十分緊缺，隨之而來的基坑工程施工越來越多，其開挖深度也隨之不斷增加。不合理的土方開挖、步驟和速度可能導致主體結構樁基變位、支護結構過大的變形，甚至引起支護體系失穩而導致破壞，因此施工監測已經成為工程中必不可缺的一部分[1-3]。

基坑工程具有很強的環境效應，由于地下土體性質、荷載條件等的不同，基坑的開挖勢必會引起周圍地基地下水位的變化和應力場的改變，導致周圍地基土體的變形，對周圍建（構）筑物和地下管線產生影響，嚴重的將危及其正常使用或安全[4-6]。目前國內外學者對于此問題都進行了相關的研究，但是由于施工的復雜性，僅靠理論分析和經驗估計是難以把握施工的安全性，無法確?；又苓吔ǎ嫞┲锇踩玔7]。

本文運用有限元分析軟件進行基坑開挖數值模擬，取典型剖面進行彈塑性有限元計算。有限元數值計算中土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，混凝土結構采用彈性模型，考慮了土體和結構之間的相互作用。計算模型模擬了初始地應力場、鄰近管線對地應力場的影響、圍護樁的施工和被動區加固作用等影響因素，并通過單元生死模擬“順作法”基坑開挖全過程，對基坑開挖卸荷作用產生的周邊管線附加變形進行預測分析。

二、工程概況及地質條件

1.工程概況

本工程地處陸家嘴金融貿易區X3-3地塊，北側為花園石橋路；東側為銀城中路；南側為待建工程場地；西側為在建的高寶金融大廈，開挖深度約為19.10m?；匚髂辖菫槠謻|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，基地北側和東側環境保護要求相對較高，其余側環境較寬松，本基坑周邊環境的監測重點為基地北側、基地東側道路以及市政管線等。

建筑上部結構為38層結構，設置三層地下室。基礎采用樁筏基礎形式，基坑總面積約6400m2，周長約317m，呈不規則方形狀，基坑最大開挖深度可達19.10m。

2.水文地質概況

擬建場區，地貌類型屬濱海平原，地形平坦，自然地面標高約為3.86m～4.44m。地面較為平整。

三、支護方案與周邊環境保護措施

1.支護方案

綜合考慮本工程周邊環境、道路、市政管線分布、基坑面積及形狀、基坑開挖深度等因素，并考慮工程進度和經濟性等因素，本基坑工程采用鉆孔灌注排樁結合止水帷幕+三道鋼筋混凝土支撐系統的順作法方案。

由于本工程開挖深度較深，攪拌樁止水帷幕的深度已超過雙軸水泥土攪拌樁施工機械的施工極限深度，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體。在基坑豎向設置三道鋼筋混凝土水平支撐系統?；炷林蔚膭偠容^大，能有效地控制變形，從而提高施工效率，節省工期。

2.周邊環境保護措施

本工程周邊環境的重點保護對象為周邊的市政管線和道路等，本方案擬采取以下保護措施。

（1）對基坑影響范圍內的道路、市政管線設置沉降觀測點，基坑開挖期間加強觀測，并根據監測結果及時調整施工速度，做到信息化施工。

（2）在基坑開挖期間對坑外水位進行監測，圍護體出現滲漏水，應及時封堵，防止由于水位下降對周邊環境產生影響。

四、數值模擬

1.有限元模型的建立

（1）選取計算截面

采用通用有限元分析軟件進行基坑開挖數值模擬，取基坑東南側距離管線較近的典型剖面進行彈塑性有限元計算。計算模型模擬了初始地應力場、鄰近管線對地應力場的影響、圍護樁的施工和被動區加固作用等影響因素，并通過單元生死模擬“順作法”基坑開挖全過程，對基坑開挖卸荷作用產生的周邊管線附加變形進行預測分析。

（2）土體本構模型與結構參數的選取

土體采用Mohr-Coulomb模型，該模型在巖土工程中應用較多。計算中土體的重度、粘聚力、摩擦角等參數由勘察報告提供，彈性模量則根據大量類似工程的監測數據反演得到。

（3）接觸面單元與網格剖分

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

2.有限元模型計算結果分析

采用通用有限元分析軟件進行基坑開挖數值模擬，取基坑東南側距離管線較近的典型剖面進行彈塑性有限元計算，對基坑開挖卸荷作用產生的周邊管線附加變形進行預測分析。

對于東南側鄰近地下管線，由于基坑開挖，坑內土體向上隆起；坑外土體向坑內方向移動，從而導致坑外地表沉降，距離基坑較近的地下管線產生的最大水平變形為13.65mm，最大沉降為17.70mm。

理論計算結果表明：對于東南側鄰近地下管線，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，基坑開挖引起的最大水平位移12.44mm，最大豎向沉降11.96mm。根據上述理論計算結果，并結合已有的工程經驗，本方案能保證基坑開挖對鄰近管線的保護要求。

五、結論與建議

本文根據對基坑穩定性、圍護體位移及基坑開挖對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合三道鋼筋混凝土支撐方案可以滿足基坑自身穩定性和環境保護控制要求，通過對計算結果的整理，得到以下結論：

（1）在基坑工程施工過程中，應充分利用時空效應原理，分塊對稱開挖，要做到限時開挖，跟進支撐，盡量縮短無支撐暴露時間。

（2）基坑開挖前應保證有四周的預降水時間，降水開始前，需對基坑內外水位進行全面的監測，以確保降水效果和圍護體的封閉性能。

（3）基坑工程的承壓水降壓方案應結合場地地質條件、現場抽水試驗和周邊環境特點制定，控制好降壓的時間和力度，在保證工程順利進行的基礎上，盡量減少對周邊環境的影響。

（4）基坑施工過程中應加強對周邊環境的監控，并根據監測及時調整施工速度和施工工況，并對鄰近市政管線做好預埋跟蹤注漿管等保護措施。

【參考文獻】

[1] 陳觀勝，嚴洪龍，陳昌平.深基坑開挖對周圍建筑物的保護[J].城市道橋與防洪，2003，（2）：31-36.

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