綜合管廊明挖基坑變形與有限元分析*

陶紅霞

（天津城市建設管理職業技術學院，天津 300134）

2015年國務院發布《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》，大力推動全國城市地下管廊系統，當前國內大部分一二線城市均已開始地下綜合管廊系統的建設工作。在進行地下綜合管廊建設時，由于涉及諸多深基坑施工，同時開挖尺寸在不斷增加，綜合管廊基坑施工的安全支護與結構設計引起愈來愈多施工管理人員與研究學者的重視。

本研究選擇成都天府新區綜合管廊X L段明挖基坑作為研究對象，采用ABAQUS對土體與基坑的支護結構建模，分析基坑開挖支護等施工過程中的變形，通過數值模擬計算與實際監測結果的對比分析，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。基坑采用分層開挖施工，每層開挖深度控制在2～3 m。邊坡共劃分三級，其中一級邊坡坡度為1∶1.5，二級邊坡與三級邊坡坡度均為1：1.75。坡面護面工程采用的C 20噴射混凝土 +φ8鋼筋網（間距 0.15 m×0.15 m），護面厚度 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）對護面內鋼筋網予以固定。

2 綜合管廊明挖基坑建模

成都天府新區綜合管廊X L段基坑工程從縱斷面方向分析，其所采用的支護結構形式為同性變化，在縱向結構上選取5 m作為重復施工段的研究長度。考慮到基坑為左右兩側對稱形式，選取其中一半結構創建3 D模型，以提升計算效率與速度。此外，為盡可能減少邊界效應所帶來的不利影響，本研究選擇的計算范圍為100 m（深度）×100 m（寬度）×5 m（縱向長度）。本研究中，基坑土體與支護結構建模方式如下。

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為屈服面上的正應力；φ為土體的內摩擦角。

2）支護結構建模則采用的是線彈性本構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，對于土體與錨釘之間的連接則采用Tie Constraint的方式予以聯結約束從而實現模擬效果。此外，針對土體模型的邊界約束設置為：前后左右4個平面均為法向約束，底部平面采用3個方向的約束形式，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，開挖每層后均掛網噴錨支護8 cm進行護面，在下一層開挖前要待上層噴射混凝土強度達到80%方可開始施工。

3 計算參數設置

本研究中明挖基坑的地層結構土體參數如表1所示。本項目中基坑邊坡采用C 20噴射混凝土+鋼筋網片的方式予以護面，將內部的 H P B 300φ8鋼筋網片考慮在內，護面層與錨釘的參數分別為：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 地層結構土體參數

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

有限元分析調取本研究項目基坑工程的施工時間段（8月24日—10月18日）的現場監測數據，將ABAQUS中有限元模擬分析計算的數據與之對比分析，以研究綜合管廊基坑變形的變化趨勢，有限元計算與實際監測數據的對比如圖1～3所示。

圖1 基坑邊坡頂面水平位移實際監測值與模擬計算值對比

圖2 基坑邊坡頂面豎向位移監測值與模擬計算值對比

圖3 地表沉降實際監測值與模擬計算值對比

從總體變化趨勢角度而言，實際監測的基坑邊坡頂面水平位移與ABAQUS的模擬計算相同，隨著基坑開挖與支護施工的不斷推進，基坑邊坡頂面水平位移值不斷變大，然而從圖1上可看出模擬計算值與實際監測值相比偏小，施工初期實際監測值為-3.6mm，ABAQUS有限元模擬計算值為 -3.1mm，二者差值最大達2.6mm。當基坑邊坡頂面水平位移達到最大時，實際監測值為 -12.7mm，ABAQUS有限元模擬計算值為-11.6mm，實際監測值與模擬計算值差值為1.1mm。

從圖2可看出，從總體變化趨勢角度而言，實際監測的基坑邊坡頂面豎向位移與ABAQUS的模擬計算相同，隨著基坑開挖與支護施工的不斷推進，基坑邊坡頂面豎向位移值不斷變大，然而從圖2上可看出模擬計算值與實際監測值相比偏小，而且隨著時間推移，模擬計算值與實際監測值的差值越來越大。施工初期基坑頂面豎向位移的實際監測值為 -2.0mm，ABAQUS有限元模擬計算值為-1.0mm，二者之間差值為 1.0mm；在基坑頂面豎向位移達到最大值 -11.5mm時，ABAQUS有限元模擬計算值僅為 -8.0mm，二者差值也達到最大值3.5mm。分析出現該差值的原因是因為在進行有限元分析時，缺少對實際工況下時間效應的考量，在基坑實際施工過程中，在所受荷載作用保持恒定的狀況下，基坑的變形會隨時間的推移而逐步變大，然而在ABAQUS軟件中，對于基坑分層開挖與支護的模擬處理均未考慮時間效應，由此忽略了時間效應的影響作用。模擬計算的誤差基本在允許范圍內。

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算值為11.6mm，從最大沉降點向左右兩側延伸沉降值逐步變小。出現該結果的原因是基坑受噴錨護面層支護的影響，在錨桿與鋼筋片的固定約束作用下使邊坡的土體結構得到較強加固，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，從總體變化趨勢角度而言，實際監測基坑周邊地表發生的沉降與ABAQUS的模擬計算相同，隨著基坑開挖與支護施工的不斷推進，基坑周邊地表發生的沉降不斷變大，然而從圖上可看出，模擬計算值與實際監測值相比較偏小，二者的差值開始逐步增大最后又逐漸變小，其中差值最大時達4.0mm，但最終地表沉降的實際監測值為12.1mm，與模擬計算值11.6mm相差無幾，略大于模擬計算值。分析施工過程中實際監測值與模擬計算值之間存在較大差距的原因，因為ABAQUS有限元分析是在理想狀態下所構建的模型，然而在基坑明挖實際施工過程中，受到外部氣候環境、設備儀器、管理水平、施工技術及測量人員素質等因素影響，在利用ABAQUS進行建模時無法將上述影響因素予以量化進去，由此最終有限元模擬計算值與實際監測值存在差異難以避免。總體而言，有限元分析工具在一定程度上可對基坑的變形情況予以較好的呈現。

4.2 施工不同階段土體深層變形

根據前述劃分的施工不同階段，選擇位于基坑頂面邊緣外側3 m位置的剖面，對a～h階段邊坡土體深層的水平位移變化情況予以研究，結果如圖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。

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個相反方向位移的交界處出現在土體深度約27 m處，以該處為交界下部的土體向基坑內側移動，上部土體向基坑外側移動。基坑開挖土體會導致基坑底部隆起，與此同時，基坑周邊的土體受自重影響也進一步使坑底部發生隆起。上述土體深層水平位移現象與基坑開挖施工的規律相吻合。

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，基坑開挖所產生的卸荷影響不是非常顯著，同時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）進入明挖基坑施工的中后期階段，隨著開挖深度持續增加，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，該階段基坑側壁所受到的土體側向壓力顯著增大，地表處所發生水平位移達10.6mm，在施工階段 a時土體2個相反位移方向的交界深度約10 m，在施工階段f時土體2個相反位移方向的交界深度達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，由此可認為從施工階段f起基坑整體的變形情況已較為穩定。

5 結語

本研究借助ABAQUS有限元軟件，對成都市天府新區綜合管廊X L段明挖基坑工程進行建模，并進行有限元分析計算，對比分析了現場施工實際基坑變形數據與有限元模擬計算數據，得出結論如下。

1）通過ABAQUS軟件建模所計算出的數據結果，與現場實際施工監測所獲得的數據結果具有較好的一致性，驗證了本研究所構建的材料本構模型、參數、計算模型具有較好的適用性，受現場實際施工仍然存在一些無法量化于模型的因素影響，雖然模擬計算值與監測數據值存在少許差值，但有限元分析的計算結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律。

2）在噴射混凝土+鋼筋網片錨固的支護方式下，基坑頂部地表發生最大沉降的位置位于基坑邊坡頂部外側20 m處，從最大沉降點向左右兩側延伸沉降值逐步變小，驗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域的沉降值。

3）本項目明挖深基坑的整體變形情況為土體自基坑內側向外側隆起，底部土體上隆，基坑側壁發生偏移，在基坑開挖施工前期變形并不顯著，隨著開挖深度加深，進行三級放坡開挖時土體受到的卸荷作用影響愈來愈明顯，導致基坑側壁發生較為顯著的變形，在進入施工后期變形逐漸趨于穩定。

本研究所建立的模型仍然存在著不足之處，在精度上可進一步提升，后續可通過延長縱向上的建模長度，以進一步深入分析綜合管廊基坑施工中的變形規律，以供實際施工參考。

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