棋盤洲長江公路大橋錨碇基坑施工性狀數值分析

李潮

(長江大學城市建設學院，湖北 荊州 434023)

近年來，隨著橋梁工程建設規模越來越大，錨碇基坑也向超大、超深的方向發展，為了深入了解錨碇基坑的受力變形性狀，更好地為設計施工服務，一些學者采用數值方法對錨碇基坑開展了研究。劉化圖等[1，2]介紹了武漢陽邏長江大橋南錨碇基坑內襯及支護結構的計算方法。李劭暉等[3]采用數值方法結合實測數據，總結了嵌巖地下連續墻的受力與變形特征。劉春原等[4]對不同工況下圓形地下連續墻結構內力進行了分析。王琨等[5]對珠江黃埔大橋錨碇基坑施工過程進行仿真計算，分析了圓形嵌巖地下連續墻的拱效應及開挖深度對墻體受力變形的影響。任麗芳等[6]采用三維有限元結合實測數據，分析了基坑開挖過程中的地下連續墻水平位移及坑底隆起情況。陳希等[7]、段堅堤等[8]采用有限元法模擬某雙圓環形錨碇基坑開挖支護過程，認為雙圓環形基坑具有明顯的空間效應和拱效應。凌曉等[9]建立了有限元強度折減法評價圓形地下連續墻加內襯支護結構的安全系數。栗小祜等[10]通過有限元軟件分析地下連續墻在考慮內襯收縮時的應力與位移變化情況。崔劍鋒等[11]采用里茲法對圓形地下連續墻進行受力分析，并與有限元法計算結果對比，驗證了里茲法的準確性。靖振帥等[12]對重慶駙馬長江大橋錨碇基坑開挖施工過程進行三維模擬，分析了支護結構的應力與變形。肖景平等[13]針對岳陽洞庭湖大橋錨碇葫蘆形基坑，探討了圍護結構深層水平位移、墻體鋼筋應力和墻頂變形等實測值的變化規律。張軍等[14]分析了降水對地下連續墻受力與變形的影響，提出增大墻體厚度可在一定范圍內提高地下連續墻的自穩能力。徐江等[15]對非洲馬普托大橋南側錨碇深基坑進行模擬計算，預測了支護結構墻體的變形及周邊地表沉降。

從現有文獻資料看，由于深大錨碇基坑數量較少，累積的資料數據還不多，對錨碇基坑結構內力與變形研究不夠充分。為此，筆者結合現場實測數據，運用數值方法對棋盤洲長江公路大橋錨碇基坑開挖及內襯施工進行全過程數值模擬，分析支護結構的受力變形及周邊地表沉降變化特征，以期對類似工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

棋盤洲長江公路大橋項目起點位于湖北省陽新縣大冶湖南岸朱唐埠村，終點位于湖北省蘄春縣馬家咀，南錨碇位于東湖新村居民區內。錨碇基礎開挖深度為49.8m，采用內徑61m，壁厚1.5m，深度59.5～64m的圓形地下連續墻加鋼筋混凝土內襯進行支護，內襯從上往下依次為0～15m深、厚1m，15～30m深、厚1.5m，30～49.5m深、厚2.5m。地下連續墻嵌入中風化泥質粉砂巖深度不小于3m，嵌入微風化巖深度不小于1.5m。采用逆作法島式開挖施工，分層開挖土體、施工內襯，內襯及土體分層厚度為3m，共有34個施工步。

2 數值模型

2.1 計算模型

考慮到計算效率，采用平面軸對稱計算模型，模型幾何尺寸：水平向取5倍基坑開挖、深度200m，豎向取120m，地下連續墻深度取為61m。邊界條件為側面水平約束，底面豎向約束。墻頂標高以上土體等效為40KPa均布荷載，距離基坑開口線20m范圍內施工荷載為20kPa。有限元網格以四邊形為主，密度采用Single方式控制，在支護結構附近處網格劃分較密，距支護結構越遠，網格劃分越稀疏，最小網格尺寸0.5m，最大網格尺寸8m。不同于四節點線性完全積分單元，模型采用四節點線性減縮積分單元，只在單元的中心有一個積分點[16]，如圖1所示，網格劃分時未出現沙漏問題。計算模型及有限元網格劃分如圖2所示。

圖1 單元類型 圖2 計算模型

2.2 材料模型

基于勘察報告[17]所提供資料，采用總應力計算方法，材料采用Mohr-Coulomb本構模型，地層計算參數如表1所示。混凝土的c、φ值按照李云安等[18]提出的公式進行換算取值，混凝土參數如表2所示。

2.3 計算方法與步驟

1)計算方法 數值模型基于ABAQUS平臺構建，采用擬靜力方法，自適應時間步長，每一增量步采用隱式迭代，自動阻尼及非對稱求解器，采用單元生死法模擬基坑開挖及施工內襯。

2)計算步驟 第1步為地應力平衡，第2步施加施工荷載，第3步至第36步模擬錨碇基坑開挖支護過程，依次開挖3m土體，施工3m內襯，直至開挖第17層土體，施工第17層內襯。

表1 地層參數

表2 混凝土參數

圖3 地下連續墻徑向位移監測點示意圖

2.4 模型驗證

地下連續墻徑向位移監測點布置如圖3所示。根據現場監測數據，監測點CW1、CW3及CW6數據未出現異常，選取其進行數值模型驗證。

現場實測的錨碇基坑初始開挖及開挖完成時的地下連續墻徑向位移數據與模擬結果對比曲線如圖4所示。圖4(a)施工工況為錨碇基坑開挖完第1層土，添加第1道內襯。圖4(b)施工工況為基坑開挖至基底處，即開挖完第17層土，添加第17道內襯。由圖4可知，模擬結果與實測數據符合度較好，模擬計算與監測數據對比說明數值模型較為合理，能夠較好地模擬錨碇基坑開挖施工過程。

圖4 地下連續墻徑向位移曲線

3 計算結果分析

3.1 地下連續墻應力

地下連續墻應力曲線如圖5所示，圖5(a)為地下連續墻徑向應力曲線，徑向應力以朝向基坑內為正。由圖5(a)可知，在整個施工過程中，地連墻徑向應力在基坑開挖深度范圍內變化較小，變化幅度為0～0.07MPa，在墻身嵌巖部分應力值增長較大。開挖至基底時，在58m處出現最大值0.81MPa。在墻身深度60.5～61m處出現徑向應力反向，最大值為0.2MPa。考慮開挖造成基坑內外土壓力差，導致地連墻向基坑側偏移，而墻底由于基巖嵌固作用明顯，使得墻底出現向基坑外的徑向應力。

圖5 地下連續墻應力曲線

圖5(b)為地下連續墻環向應力曲線，環向應力以受壓為正，呈現向基坑內凹形。由圖5(b)可知，環向壓應力最大值位置隨著開挖而逐漸下移。從添加施工荷載至添加第13道內襯，即基坑開挖深度在0～39m時，最大值位于開挖面以下1～10m范圍內，而添加第14～17道內襯,即基坑開挖深度在39～49.8m時，最大值位于開挖面以上1～8.5m范圍內。在添加第12～17道內襯時，最大值位于41m處。在添加第16、17道內襯時，環向壓應力最大值為5.3MPa。地下連續墻深度56～61m處為環向拉應力，在58m達最大值，呈V型。由于基巖的嵌固、限制作用，使得環向拉應力較小，約為墻體環向壓應力的10%。

3.2 墻背土壓力

地下連續墻深度范圍內的墻背外側土體壓力分布曲線如圖6所示。由圖6可知，錨碇基坑施工全過程中，在基坑開挖深度范圍內，即0～49.8m段的墻背外側土壓力很小。在嵌巖段范圍內，即49.8m～61m段的墻背外側土壓力隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，且均為正向土壓力，說明底部土體為主動土壓力。在深度58m處，土壓力達最大值0.85MPa。結合圖5(a)，地下連續墻體徑向應力最大值為0.81MPa，兩者數值上基本相等。

3.3 地下連續墻徑向位移

不同工況下地下連續墻徑向位移曲線如圖7所示。由圖7可知，地下連續墻徑向位移曲線的變化形態與地連墻環向應力曲線的變化形態相似，呈現向基坑內凹形。最大位移值隨基坑開挖而下移，從添加施工荷載至添加第13道內襯，即基坑開挖深度在0～39m時，最大值位于開挖面以下2～13m范圍內，而添加第14～17道內襯，即基坑開挖深度在39m～49.8m時，最大值位于開挖面以上1～8.5m范圍內。在添加第13～17道內襯時，最大值位于41m處。在添加第17道內襯時，最大值為7.24mm，說明嵌巖圓形地下連續墻的拱效應能有效降低墻體變形。基巖嵌固作用阻止了最大水平位移的進一步下移，在整個開挖施工過程中，墻底部徑向位移值較小，約為墻體最大徑向位移的8%～11%，表明墻體底部基巖對墻身變形約束效果顯著。

圖6 墻背土壓力分布曲線 圖7 地下連續墻徑向位移曲線

圖8 地下連續墻頂部豎向位移曲線

圖9 周邊地表沉降曲線

3.4 地下連續墻頂部豎向位移

地下連續墻頂部豎向位移曲線如圖8所示。由圖8可知，地下連續墻壁頂部豎向位移在整個施工過程中從0開始逐漸增大，并最終趨于穩定值7.06mm，其中從初始添加施工荷載至開挖第11層土時，增長幅度較大。墻頂變形主要發生在基坑土體開挖時；而在添加內襯時，地下連續墻壁頂部位移基本無變化。

3.5 周邊地表沉降

基坑周邊地表沉降分布曲線如圖9所示。基坑周邊地表沉降呈下凹形，地表沉降主要由施工荷載導致。而在基坑的開挖施工過程中，地表沉降變化不大，變化幅度約為0.1～0.3mm。最大沉降在距基坑6m處，為21.7mm。在距基坑開口線0～30m范圍內，地表產生沉降。而在30～80m范圍內，地表隆起0.1～0.15mm，主要考慮施工荷載導致周邊土體擠壓。根據模擬結果可知，距離基坑開口線100m范圍外地表基本無沉降，基坑施工造成的影響主要在2倍開挖深度范圍內。

4 結論

1)模擬結果與實測數據對比表明，在選用合適的材料參數情況下，采用基于總應力法的數值方法模擬深大錨碇基坑施工過程是可行的。

2)地下連續墻徑向應力主要集中在墻身嵌巖部分，最大值0.81MPa；墻體環向應力曲線與徑向位移曲線基本相似，呈內凹形，應力及位移最大值位置隨開挖而逐漸下移，表現為開挖0～39m時位于開挖面以下，開挖39～49.8m時位于開挖面以上，其中環向應力以受壓為主，墻底附近出現環向拉應力，約為環向壓應力的10%，墻底徑向位移約為墻體最大徑向位移的8%～11%；施工中墻頂產生豎向位移，最大值7.06mm。

3)地下連續墻背外側土壓力主要位于嵌巖段范圍內，且隨開挖深度增加而增大，最大值為0.85MPa；而在開挖深度范圍內墻背土壓力很小。

4)周邊地表沉降主要產生由施工荷載導致，最大值為21.7mm，在基坑開挖過程中沉降變化較小，在2倍開挖深度范圍外，基坑開挖對地表沉降基本無影響。