基坑开挖对周边管线变形的数值模拟分析

　　【摘 要】随着城市建设的不断发展，深基坑的开挖问题已经成为建筑工程中的重点关注。本文根据大量的现场实测数据，通过对基坑开挖过程中周围建筑地表沉降、地下水位等的监测，土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，通过有限元分析软件进行基坑开挖数值模拟，对典型剖面进行弹塑性有限元计算，重点预测分析周边管线附加变形。结论对于密集建筑群中软土地基上基坑的开挖设计具有一定的借鉴意义。
　　【关键词】基坑监测；有限元数值模拟；变形
　　一、引言
　　随着城市建设的不断发展，土地资源十分紧缺，随之而来的基坑工程施工越来越多，其开挖深度也随之不断增加。不合理的土方开挖、步骤和速度可能导致主体结构桩基变位、支护结构过大的变形，甚至引起支护体系失稳而导致破坏，因此施工监测已经成为工程中必不可缺的一部分[1-3]。
　　基坑工程具有很强的环境效应，由于地下土体性质、荷载条件等的不同，基坑的开挖势必会引起周围地基地下水位的变化和应力场的改变，导致周围地基土体的变形，对周围建（构）筑物和地下管线产生影响，严重的将危及其正常使用或安全[4-6]。目前国内外学者对于此问题都进行了相关的研究，但是由于施工的复杂性，仅靠理论分析和经验估计是难以把握施工的安全性，无法确保基坑周边建（构）筑物安全[7]。
　　本文运用有限元分析软件进行基坑开挖数值模拟，取典型剖面進行弹塑性有限元计算。有限元数值计算中土体采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，混凝土结构采用弹性模型，考虑了土体和结构之间的相互作用。计算模型模拟了初始地应力场、邻近管线对地应力场的影响、围护桩的施工和被动区加固作用等影响因素，并通过单元生死模拟＂顺作法＂基坑开挖全过程，对基坑开挖卸荷作用产生的周边管线附加变形进行预测分析。
　　二、工程概况及地质条件
　　1.工程概况
　　本工程地处陆家嘴金融贸易区X3-3地块，北侧为花园石桥路；东侧为银城中路；南侧为待建工程场地；西侧为在建的高宝金融大厦，开挖深度约为19.10m。基地西南角为浦东电信局富都站，基地离建筑红线的距离约为4.20m～11.40m。综上所述，基地北侧和东侧环境保护要求相对较高，其余侧环境较宽松，本基坑周边环境的监测重点为基地北侧、基地东侧道路以及市政管线等。
　　建筑上部结构为38层结构，设置三层地下室。基础采用桩筏基础形式，基坑总面积约6400m2，周长约317m，呈不规则方形状，基坑最大开挖深度可达19.10m。
　　2.水文地质概况
　　拟建场区，地貌类型属滨海平原，地形平坦，自然地面标高约为3.86m～4.44m。地面较为平整。
　　三、支护方案与周边环境保护措施
　　1.支护方案
　　综合考虑本工程周边环境、道路、市政管线分布、基坑面积及形状、基坑开挖深度等因素，并考虑工程进度和经济性等因素，本基坑工程采用钻孔灌注排桩结合止水帷幕+三道钢筋混凝土支撑系统的顺作法方案。
　　由于本工程开挖深度较深，搅拌桩止水帷幕的深度已超过双轴水泥土搅拌桩施工机械的施工极限深度，因此本方案采用三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，采用钻孔灌注桩作为基坑的围护体。在基坑竖向设置三道钢筋混凝土水平支撑系统。混凝土支撑的刚度较大，能有效地控制变形，从而提高施工效率，节省工期。
　　2.周边环境保护措施
　　本工程周边环境的重点保护对象为周边的市政管线和道路等，本方案拟采取以下保护措施。
　　（1）对基坑影响范围内的道路、市政管线设置沉降观测点，基坑开挖期间加强观测，并根据监测结果及时调整施工速度，做到信息化施工。
　　（2）在基坑开挖期间对坑外水位进行监测，围护体出现渗漏水，应及时封堵，防止由于水位下降对周边环境产生影响。
　　四、数值模拟
　　1.有限元模型的建立
　　（1）选取计算截面
　　采用通用有限元分析软件进行基坑开挖数值模拟，取基坑东南侧距离管线较近的典型剖面进行弹塑性有限元计算。计算模型模拟了初始地应力场、邻近管线对地应力场的影响、围护桩的施工和被动区加固作用等影响因素，并通过单元生死模拟＂顺作法＂基坑开挖全过程，对基坑开挖卸荷作用产生的周边管线附加变形进行预测分析。
　　（2）土体本构模型与结构参数的选取
　　土体采用Mohr-Coulomb模型，该模型在岩土工程中应用较多。计算中土体的重度、粘聚力、摩擦角等参数由勘察报告提供，弹性模量则根据大量类似工程的监测数据反演得到。
　　（3）接触面单元与网格剖分
　　采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟围护体、地下管线与土体和加固体之间相互作用。
　　2.有限元模型计算结果分析
　　采用通用有限元分析软件进行基坑开挖数值模拟，取基坑东南侧距离管线较近的典型剖面进行弹塑性有限元计算，对基坑开挖卸荷作用产生的周边管线附加变形进行预测分析。
　　对于东南侧邻近地下管线，由于基坑开挖，坑内土体向上隆起；坑外土体向坑内方向移动，从而导致坑外地表沉降，距离基坑较近的地下管线产生的最大水平变形为13.65mm，最大沉降为17.70mm。
　　理论计算结果表明：对于东南侧邻近地下管线，距离基坑最近的Ф700配水管，距离12.51m，管道底部埋深1.8m，基坑开挖引起的最大水平位移11.92mm，最大竖向沉降17.70mm；距离基坑较近的信息管道，距离21.43m，管道底部埋深1.2m，基坑开挖引起的最大水平位移13.65mm，最大竖向沉降13.59mm；距离基坑22.99m的Ф700配水管，管道底部埋深1.6m，基坑开挖引起的最大水平位移12.44mm，最大竖向沉降11.96mm。根据上述理论计算结果，并结合已有的工程经验，本方案能保证基坑开挖对邻近管线的保护要求。
　　五、结论与建议
　　本文根据对基坑稳定性、围护体位移及基坑开挖对周边建筑物影响的有限元模拟分析，采用钻孔灌注排桩及止水帷幕结合三道钢筋混凝土支撑方案可以满足基坑自身稳定性和环境保护控制要求，通过对计算结果的整理，得到以下结论：
　　（1）在基坑工程施工过程中，应充分利用时空效应原理，分块对称开挖，要做到限时开挖，跟进支撑，尽量缩短无支撑暴露时间。
　　（2）基坑开挖前应保证有四周的预降水时间，降水开始前，需对基坑内外水位进行全面的监测，以确保降水效果和围护体的封闭性能。
　　（3）基坑工程的承压水降压方案应结合场地地质条件、现场抽水试验和周边环境特点制定，控制好降压的时间和力度，在保证工程顺利进行的基础上，尽量减少对周边环境的影响。
　　（4）基坑施工过程中应加强对周边环境的监控，并根据监测及时调整施工速度和施工工况，并对邻近市政管线做好预埋跟踪注浆管等保护措施。
　　【参考文献】
　　[1] 陈观胜，严洪龙，陈昌平.深基坑开挖对周围建筑物的保护[J].城市道桥与防洪，2003，（2）：31-36.
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　　[3] 王磊，吴善能. 上海地区深基坑施工对周围历史建筑物的影响[J]，低温建筑技术，2011，4：107-108.
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