基坑開挖對周邊管線變形的數值模擬分析

梁艷

（南寧城建管廊建設投資有限公司，南寧 530219）

0 引言

隨著城市建設的不斷發展，土地資源十分緊缺，工程師的目光不再局限于城市地面建設，越來越關注于城市地下空間的開發與利用，隨之而來的基坑工程施工與日俱增，其開挖深度也隨著施工技術與設備的更新不斷增加以滿足工程需求，因此在基坑開挖的施工過程中不免產生一些問題［1-3］。如由于過量的土方開挖、不合理的施工步驟以及開挖速度從而引起基坑產生過大的變形而發生失穩破壞，亦或是導致緊鄰基坑的地下管線變形、破裂，延誤施工進度的同時也會造成社會經濟損失，嚴重則會造成人員傷亡。基坑開挖可以理解為土體卸荷的過程，必定會改變鄰近土體的原始應力場和位移場以及造成地下水位的變化，引起周圍地基土體和建筑物的變形，對相鄰地下管線或隧道產生影響，如導致地下管線破裂、隧道基礎產生差異沉降等［4，5］，將危及到建（構）筑物的正常使用或人身安全。目前國內外學者對于此問題都進行了相關的研究。采用理論分析或經驗估計［6，7］，例如兩階段分析方法，首先計算基坑開挖引起作用在隧道的附加應力或位移，再采用不同的地基梁模型建立基坑開挖對隧道影響的微分方程進而求解隧道的產生的變形。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，無法確保基坑周邊建（構）筑物安全。而有限元法［8，9］能夠模擬基坑開挖與支護全過程，從而可以得到不同工況下地表沉降、圍護結構水平位移以及基底隆起等變形參數，為工程實踐提供一定的參考價值。

因此，文中采用有限元軟件ABAQUS對該基坑開挖全過程進行數值模擬，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，混凝土結構采用彈性模型，并考慮結構與土之間相互作用，對基坑的典型剖面進行有限元分析。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，并通過單元生死對全過程“順作法”基坑開挖與支護進行數值模擬，并將有限元結果與現場實測數據進行對比驗證，分析了基坑開挖卸荷過程中周邊地下管線的附加變形以期為類似工程提供一定的借鑒意義。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

工程其建筑高度為216m，建筑上部結構為38層結構塔樓，設置3層地下室。基礎采用樁筏基礎形式，主體結構選用框架-核心筒結構，并采用鉆孔灌注樁作為工程樁。基坑總面積約6400m2，周長約317m，呈不規則矩形形狀，基坑最大開挖深度可達19.10m。基坑平面圖及計算剖面布置如圖1所示。根據基坑工程周邊勘探資料顯示，基坑東側及北側埋有多條市政管線，而基坑的西側和南側環境相對寬松，因此，基坑的東側與北側道路及相應地下市政管線的變形是本基坑的保護重點［10］。

圖1 基坑平面圖及計算剖面布置

1.2 水文地質條件

基坑擬建場區地形平坦，土層分布穩定，主要由砂性土、粉性土及粘性土組成，屬于濱海平原地貌類型，自然地面標高約為3.86～4.44m。地面較為平整，基坑開挖區域的主要土層及其物理力學指標如表1所示。

表1 土層物理力學指標

基坑工程主要含兩類水層：地面約4m以下的第②0層粘質粉土層為潛水層，地面以下約30m處的第⑦層粉砂層為承壓含水層，并與約70m深度處的砂土層相互連通，因此基坑工程需對潛水及第⑦層承壓水進行降水處理［11］。

2 基坑支護方案

基坑工程地處繁華地段，開挖深度較深，基坑周邊埋有大量地下管線，對周邊的環境保護有一定的要求，并綜合考慮基坑面積及形狀、基坑開挖深度等因素，同時考慮到工程進度和經濟性等因素，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［11］。

由于工程開挖深度約達17.5m，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，而采用地下連續墻作為圍護體又會制約工程進度，同時鋼支撐對于基坑工程而言，截面抗壓承載力較為不足且整體剛度較小，因此基坑支護方案采用三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕，選取鉆孔灌注樁作為基坑的圍護體，水平支撐系統采用鋼筋混凝土支撐。鉆孔灌注樁結合止水帷幕作為圍護體其優勢在于施工簡便、對周邊環境及建筑物危害小、有利于加快施工進度等。同時，三軸水泥土攪拌樁可對基坑各邊跨中被動區進行加固。在基坑豎向設置三道鋼筋混凝土水平支撐系統，坑內加固從第二道支撐底開始至基底以下4m，以增加被動區土體抗力，減小圍護體變形和坑底隆起量，從而減小對周邊環境的影響。并且混凝土支撐的剛度較大，能有效地控制變形，從而提高施工效率，節省工期。

3 數值模擬

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 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。

3.1.2 選取計算截面

土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型進行模擬，該模型多應用于在實際巖土工程中。由現場勘探報告提供計算所需的土體參數，如土體重度γ、粘聚力c、內摩擦角φ及滲透系數k等參數指標。并通過大量類似的工程監測數據反演得出彈性模量。

圍護體的材料為混凝土，采用彈性本構模型進行模擬。相應的幾何參數，如橫截面面積、截面慣性矩等需折算到每延米范圍上來確定。有關結構構件的計算參數如表2所示。

表2 結構與構件的有關參數

3.1.3 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。

基本模型簡化為平面應變問題，選取距管線最近的剖面作為分析面，并采用對稱結構，嚴格參考設計方案的各參數建立有限元模型。基坑內的長度為37m，基坑普遍開挖深度為16.4m，最深處達到19.1m。自圍護樁向外延伸100m，自開挖面向下延伸43.6m，以盡量減小側面邊界條件對計算結果的影響。模型的平面總尺寸為137m×60m。模型包括土體、圍護樁、水平支撐及周邊的管線結構。其中土體采用高精度的15節點三角形單元模擬，圍護樁采用梁單元模擬，水平支撐采用彈簧單元模擬，周邊管線采用梁單元模擬。

有限元網格如圖2所示。劃分時考慮將坑內部分和墻后靠近地表部分的單元適當加密。總單元數量為6382個，總結點數為52053個。

圖2 有限元網格

3.2 施工工況模擬

為了能對基坑開挖全過程施工的模擬，對基坑典型剖面共分6個工況進行計算，各個工況的計算如下：

（1） 工況1：計算包括坑外管線在內的初始地應力場。

（2） 工況2：模擬圍護樁的施工和加固區土體的施工。

（3） 工況3：開挖至地表以下2.05m。

（4） 工況4：支設第一道支撐并開挖至地表以下7.6m。

（5） 工況5：支設第二道支撐并開挖至地表以下13.1m。

（6） 工況6：支設第三道支撐并開挖至基坑坑底。

3.3 有限元模型計算結果分析

采用有限元分析軟件ABAQUS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，并分析在基坑開挖卸荷過程中周邊管線的附加變形，如圖3所示。

圖3 開挖至基底時變形網格圖（放大25倍）

圖4～圖6分別給出了開挖至基底時的水平位移云圖、豎向位移云圖及總位移云圖。從圖4～圖6中可以看出，對于東南側周邊地下管線，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。

圖4 開挖至基底時水平位移云圖（單位：mm）

圖5 開挖至基底時豎向位移云圖（單位：mm）

圖6 開挖至基底時總位移云圖（單位：mm）

東南側周邊地下管線變形有限元計算結果如表3所示。表3表明對于700mm地下管線，隨著地管線距離基坑越遠，管線水平位移先增加后減小，基坑開挖引起埋深較淺管線的最大水平位移為13.65mm；隨著管線埋深越深，管線豎向沉降呈現先減小后增加的趨勢，基坑引起埋深較深管線的最大豎向沉降為17.7mm。由此可知，地下管線的變形受到基坑邊緣距離和管線埋深的共同影響。除此之外，表3給出了地下管線變形有限元模擬結果與現場實測數據的對比。由表3可知，文中有限元模擬結果與現場實測數據有較高的吻合度，對比結果說明文中的有限元模擬的正確性和有效性。

表3 有限元計算結果匯總

4 結語

文中采用有限元軟件ABAQUS建立對基坑開挖全過程進行模擬，選取距離基坑東南側較近的埋有地下管線的典型剖面進行數值模擬分析，探究了基坑開挖對周邊地下管線變形的影響，并與現場實測數據進行對比分析，得到以下主要結論：

（1） 文中所采用的有限元方法能較為準確地模擬實際基坑開挖過程，地下管線變形的數值模擬結果與現場實測結果具有良好的一致性，可為相似工程提供一定的借鑒意義。

（2） 地下管線的附加變形受到基坑邊緣距離和管線埋深的共同影響。其水平位移隨離基坑邊緣距離增加呈現先增加后減小趨勢，豎向沉降隨埋深增加表現出先減小后增大趨勢。因此，在基坑開挖過程中需密切關注地下管線的變形以防止破壞管線。