某下立交通道基坑開挖數值模擬分析

付武榮 呂俊杰

上海公路橋梁（集團）有限公司 上海 200433

伴隨著城市改造升級與立體開發(fā)，基坑周邊往往緊貼各種重要的建（構）筑物，如軌道交通設施、地下管線、隧道、天然地基民宅、大型建筑物等，對設計理論與施工技術都提出了更高的要求[1-3]。

本文依托上海某下立交工程項目，利用Midas GTS NX有限元分析軟件，對其中的條形基坑進行數值模擬，并通過與實際監(jiān)測數據對比，確定了合適的小應變硬化土模型參數。

1 工程概況

某下立交通道主體工程分為頂管段、明挖暗埋段、明挖敞開段以及頂管始發(fā)井和接收井等工段，地道為雙向分離式，其中頂管段長445 m，明挖暗埋段長174 m，明挖敞開段長205 m，始發(fā)井長15 m，接收井長11 m，總計850 m（單幅）。

頂管斷面尺寸為9.9 m×8.15 m；明挖段分離式單幅地道寬9.7～10.1 m，共板處寬19.0 m。工程的整體模型如圖1所示。

圖1 工程整體模型

本項目最大勘探深度為80.3 m。在勘探深度范圍內，地層根據其形成年代、成因類型及工程性質特征自上至下可劃分為9個大層和若干亞層，分別為①1雜填土、①2浜底淤泥、①3浜填土、②1粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、③T黏質粉土、④淤泥質填土、⑤1黏土、⑤1T黏質粉土、⑤3黏土、⑤4粉質黏土、⑤4T泥炭質土、⑥粉質黏土、⑦粉砂、⑧1黏土、⑧2-1粉質黏土與粉砂互層、⑧2-2粉質黏土與粉砂互層、⑧2-3粉質黏土夾粉砂、⑨1細砂、⑨1T粉質黏土夾粉砂，其中，第②～⑤層為全新世Q4沉積層，第⑥～⑨層為晚更新世Q3沉積層。

本工程基坑開挖范圍內土層主要為：①1層、②1層、③層、③T層和④層。

2 模型建立

由于整個項目體量較大，在保證網格劃分精度的前提下，全部建模會導致模型單元數量和節(jié)點數量過多，影響計算時間，因此根據研究需要，將模型分段建模。本文模型分析對象選擇頂管始發(fā)井北側的明挖暗埋段，該段長70 m，寬30 m，開挖深度從13 m漸變至10 m，為典型的條形基坑。

由于頂管始發(fā)井與明挖暗埋段相鄰，且工期也緊鄰，故一并建模并進行分析。因此，模型開挖分為兩部分：頂管工作井開挖土方為15 m×34.7 m×15 m，圍護為厚1 000 mm地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深度34 m，開挖深度14.7 m，分4層開挖。長70 m的暗埋段，圍護結構為厚800 mm地下連續(xù)墻，圍護結構深度32 m，開挖深度從13 m漸變至10 m，開挖層數從4層漸變至3層。其中頂層支撐為800 mm×800 mm鋼筋混凝土支撐，其余支撐為φ609 mm鋼管支撐。

明挖暗埋段基坑寬度30 m，相鄰的頂管始發(fā)井開挖寬度34.7 m，建模時，模型中單側開挖影響范圍應取基坑最大寬度的2倍以上，本文模型中取80 m；明挖暗埋段基坑與頂管始發(fā)井的圍護結構最深為34 m，建模時，模型中土層總深度應取圍護結構深度的1.5倍以上，本文模型中取60 m。故模型總尺寸取200 m×200 m×60 m。按照地勘資料，地層中部分層厚度較小，為簡化計算，將厚度很小的土層忽略，最后簡化為7層土體。

模擬段模型剖面（圖2）。根據施工流程，先施工頂管始發(fā)井（圖2中左側較寬部分），分4層開挖，實際施工中從開挖到結構回筑結束才開挖右側明挖段基坑，故該部分的施工工序暫不模擬。明挖暗埋段從遠離工作井一側開始開挖，水平方向分3段，垂直方向從3層增加至4層。

圖2 模擬段整體模型

在此項目中，由于條形基坑的開挖深度在基坑長度方向發(fā)生改變，如果土層建模采用一般方法水平簡化，與傾斜開挖段會形成很小的夾角，影響網格質量和計算的收斂性，故傾斜開挖段的土層按開挖的角度來劃分，以改善網格質量（見圖2）。

3 參數取值

從基坑工程的模擬精度角度考慮，目前模擬過程中土體一般取修正摩爾-庫侖模型或者小應變硬化模型[4-5]，本文采用小應變硬化模型，參數取值參照該項目的地勘報告，7層土體主要參數如表1所示。

表1 模型所采用的各土層參數

本次基坑工程數值模擬中，支撐結構和灌注樁均采用1D單元模擬，鋼腰梁采用桁架單元，鋼筋混凝土支撐、灌注樁以及格構式立柱樁建模時忽略鋼筋部分，以最不利的純混凝土模型來考慮，采用梁單元模擬。由于明挖暗埋段的鋼支撐采用了伺服軸力系統(tǒng)，軟件中無法直接模擬，故采用監(jiān)測報告中的軸力數值，以集中力的形式加載到地下連續(xù)墻單元的節(jié)點上。基坑圍護結構采用板單元模擬，需對三軸攪拌樁、SMW工法樁等圍護結構進行等效剛度代換，以保證精度，本次模擬的圍護結構正是地下連續(xù)墻，無需進行剛度等效。

對于地下連續(xù)墻，采用板單元模擬，材料取混凝土，關鍵參數就是混凝土的彈性模量，以及板的厚度。在實際地下連續(xù)墻變形時，受拉側混凝土超過其抗拉強度時會開裂，導致剛度減小[6]，另一方面，地下連續(xù)墻混凝土澆筑過程中的質量控制難度也較高，因此可以考慮對混凝土的彈性模量或者板的厚度進行一定的折減，由于監(jiān)測報告中的水平位移值較大，因此在模型中對圍護墻的厚度取實際的0.9倍。

4 模擬結果

本模型中影響圍護墻水平位移的主要因素有：圍護墻深度范圍內的土體參數，圍護墻的材料強度、自身剛度，以及支撐軸力[7-9]。選取頂管始發(fā)井以及長70 m的暗埋段在施工過程中的地下連續(xù)墻變形為主要對比數據，地下連續(xù)墻測斜管監(jiān)測點每邊2個，共8個，取沿道路中心線一側的4個監(jiān)測點的數據進行結果比對（圖3），測點CX2、CX7、CX8、CX9的模擬結果與實測結果對比曲線見圖4～圖7。

圖3 監(jiān)測點平面布置

圖4 CX2監(jiān)測點地下連續(xù)墻變形對比

圖5 CX9監(jiān)測點地下連續(xù)墻變形對比

對于土體參數，無論是修正摩爾-庫侖模型，還是小應變硬化模型，控制變形的主要參數都是土體三軸試驗中的割線剛度（E5re0f）和卸載/再加載彈性模量（Eurerf）[10]，這2個參數一般根據規(guī)范或者經驗，以地勘報告的Es1-2為基準取值。本文采用的是規(guī)范中上海地區(qū)典型土層小應變硬化模型主要參數的取值方法，從圖4和圖5可見，根據CX2和CX9兩個監(jiān)測點模擬數據與實際監(jiān)測數據的對比效果可見，該取值方法能較為準確地模擬土體變形效果。綜合對比圖6、圖7中CX7和CX8兩個監(jiān)測點的實測數據和模擬數據，可見在伺服軸力施加值基本一致的情況下，CX7三個階段的實測圍護墻最大水平位移分別為4.0、16.0、27.0 mm，而CX8三個階段的實測圍護墻最大水平位移分別為6.9、10.1、19.1 mm。這是由于在同階段，CX7處的開挖深度比CX8處的開挖深度大約深1 m，且CX7處的支撐形式為斜撐，CX8處的支撐形式為對撐，CX8處伺服軸力可全部用于抵抗變形，而CX7處只有45°方向上的分力來抵抗變形，故CX7處的變形程度及增長趨勢大于CX8，在模擬數據中可以清晰反映出這一趨勢。

圖6 CX7監(jiān)測點地下連續(xù)墻變形對比

圖7 CX8監(jiān)測點地下連續(xù)墻變形對比

另外，從圖6、圖7中所示的CX7和CX8監(jiān)測點的曲線可見，在－2.5 m深度左右有一定的往基坑外方向的變形，這是因為在該處有伺服軸力鋼支撐。以CX8監(jiān)測點在開挖完全部土層的狀態(tài)為例（圖8），將采用伺服軸力系統(tǒng)的鋼支撐用普通鋼支撐代替，模擬開挖完成之后可見，普通鋼支撐中的軸力明顯小于實際中施加的伺服軸力（表2），地下連續(xù)墻也沒有往基坑外部土體內水平位移的趨勢；往基坑內部的變形也明顯大于采用伺服軸力時的變形。因此，伺服軸力系統(tǒng)可更好地，且可控地減少圍護向基坑內部的變形。

圖8 CX8監(jiān)測點不同鋼支撐模擬對比

表2 CX8監(jiān)測點開挖完成時軸力對比

全階段的模擬數據均小于實測數據，可能的原因之一是本次模擬中沒有考慮降水的影響，在進行基坑內部降水后，會增大地下連續(xù)墻向基坑內部的變形。

5 結語

通過對上海某下立交通道基坑開挖過程進行的數值模擬，可得到如下結論：

1）當基坑開挖層不是水平開挖時，建議土層按基坑的開挖線來分層建模，避免形成很小的夾角，影響建模網格的質量。

2）伺服軸力鋼支撐相較于普通鋼支撐，能更好地控制圍護結構水平位移的增長，將伺服鋼支撐軸力以點荷載的形式進行施加，可以在相當程度上較好地解決伺服鋼支撐的模擬問題。

3）精細化的數值模型可以得出與實測結果相近的地下連續(xù)墻變形數據，可以作為基坑開挖前的預測手段。

4）本文暫時沒有考慮地下水的作用，后續(xù)研究中需考慮降水對基坑變形的影響。