臨路管廊基坑支護體系動力響應

程浩東 劉長松 邱尤寶

1.中信建設有限責任公司 北京 100027 2.山東高速工程建設集團有限公司 山東 濟南 250000

在基坑的變形研究方面，張義平[1]等學者基于實際工程使用ABAQUS建立了數值模型，分析了動靜荷載結合的情況下交通荷載對基坑變形的影響；馬曉芳[2]等研究了交通荷載作用下的如何進行深基坑支護結構設計、以及交通荷載換算和支護結構土壓力計算等問題；張金誠[3]等學者通過PLAXIS 3D數值建模軟件建立了交通荷載作用下臨近基坑模型，研究支護結構變形情況；丁森林[4]等利用理論分析與數值模擬計算相結合，研究了在交通復雜荷載影響下相鄰建筑基坑開挖的內力和變形規律；樂金朝[5]等學者利用ABAQUS數值建模軟件模擬基坑支護體系在車輛荷載下的動力響應研究，研究得到支護結構的軸力、水平位移隨荷載作用距離的增加而增大，軸力隨荷載頻率的增加而減小，水平位移則與頻率呈正相關；徐長節[6]等系統分析了在交通動荷載下基坑圍護結構的變形情況，對伴隨一定風險的基坑提出合適的加固方法；汪創[7]等使用FLAC 3D模擬研究了地下通道基坑在車輛動荷載影響下的穩定性。綜上所述，國內外的眾多學者均對交通荷載對基坑開挖過程中的影響進行了分析研究，并解決了眾多問題，取得了一定成果，本文結合濟南市某臨路管廊基坑工程，通過PLAXIS 3D建立模型，分析車輛交通荷載對鄰近軟土深基坑變形影響規律。

本文基于現有研究成果，在此基礎上采用PLAXIS 3D數值模擬軟件研究了交通荷載對基坑支護結構動力特性的影響，最后結合工程實例的監測數據，對數值模擬結果的準確性進行了比較和分析，并得出了結果車輛荷載作用下基坑支護結構內力和變形的一般規律。

1 工程背景

新建綜合管廊長度約5.625km（道路里程），綜合管廊布置于東側道路紅線外的綠化帶下，大部分位于規劃綠地、人行道和非機動車道下方，標準斷面為7.25×3.85m與6.25×3.75m，綜合管廊埋深不小于5m，綜合管廊基坑深約5～11m，基坑寬度8.25-11m，基坑支護的設計使用期限為2年，本工程周邊空曠地域基坑安全等級為二級，距離基坑邊一倍深度范圍內存在較重要的市政橋梁、電力管溝段基坑安全等級為一級。在擬建工程的范圍內，地下的雨水污水管道、自來水管道、燃氣及通信電纜等市政設施較多，分布較為復雜，臨近基坑的原有道路在施工期間保持正常通行。

擬建場地位于濟南市，地形較平坦，地勢較低。地下水為第四系孔隙潛水類型，地下水的水位埋藏比較淺，地下水主要依靠大氣降水和地表水進行補給，并且主要通過大氣蒸發、人工開采及向河流進行排泄，勘探期間在鉆孔中測得地下水靜止水位埋深2.5～3.1m，相應標高18.62～19.03m，水位季節性變化幅度約2.0～3.0m。歷史最高水位約21.50m，近3～5年最高地下水位標高約21.00m。建議常年最高水位為21.50m。

2 有限元模型

2.1 工程概況

土方開挖應分層分段開挖，第一層應開挖至第一道內支撐下50cm處，以后各層高度為內支撐的豎向間距，最后一層高度為最后一道內支撐下50cm至基坑底位置，分段長度不宜大于16m，嚴禁超挖。模型針對基坑支護類型一進行創建，基坑支護類型一——鋼板樁橫向設置1道支撐開挖支護，在基坑深度小于6m時使用12m長拉森鋼板樁進行雙側壁支護，兩側鋼板樁設置2道縱向腰梁，縱向腰梁采用雙拼45C工字鋼（450*154*10.5）緊貼鋼板樁，用φ609*16鋼管進行對撐，對撐間距4m，鋼板樁嵌入土體以下6m深。

圖1 管廊基坑某段示意圖

圖2 基坑支護結構及土層示意圖

2.2 模型參數選取

結合工程實例，模型中的土體參數以及支護結構參數的選取均采用工程實例中所給到的數據，以方便后文中將數值模擬結果與工程實例監測結果進行對比分析。

2.3 幾何模型建立

為了減小邊界效應的影響，邊界面取長寬高為110m×80m×30m，將基坑設置位于模型中央偏一側，另一側通過施加移動線荷載模擬車輛荷載，如圖3所示。模型采用土體硬化模型，鋼板樁采用板單元模擬，腰梁及內支撐采用梁單元模擬。網格劃分如圖4所示。

表1 土層參數

圖3 模型示意圖

圖4 網格劃分圖

2.4 支護樁水平位移分析

根據工程實際，選取車輛荷載與基坑距離為5m，車輛荷載選取20kN/m，車輛動荷載循環的數值模擬結果如圖5至圖8所示，分析得到：在車輛荷載作用下，基坑水平位移模擬值與實測值整體變化趨勢是一致的，且數量級相同，數值范圍相差不大，臨路側基坑水平位移在40天左右達到最大值，之后保持穩定，遠路側基坑水平位移在60天左右達到最大值，而后略有降低；基坑兩側豎向位移則一直保持下降趨勢，最大沉降量均為15mm左右。數值分析結果與監測結果變化規律是一致的，可以用于預測基坑及支護體系的變形，以保證施工過程中的安全性。通過以上數據分析表明數值模擬結果與工程實際監測結果的基本規律相符合。

圖5 臨路側基坑水平位移

圖6 遠路側基坑水平位移

圖7 臨路側基坑豎向位移

圖8 遠路側基坑豎向位移

3 結論

以實際工程為背景，通過數值模擬分析研究了車輛荷載作用下基坑支護結構體系動力響應，然后將模擬結果與工程實際監測結果進行對比分析，研究基坑支護體系變形情況。主要得到以下分析結論:

（1）通過對現場監測數據及數值模擬計算結果的對比分析結果表明，交通荷載距離基坑支護結構越近，引起的基坑支護結構水平位移和豎向位移越大。

（2）基坑開挖土體位移隨著動荷載距離的增加而減小，車輛荷載距離基坑越遠，車輛荷載對基坑變形的影響越微弱。

（3）交通荷載對于地表沉降有一定程度的影響，基坑開挖期間應針對地表沉降加強觀測，以免基坑發生動力破壞。