综合管廊明挖基坑变形与有限元分析*

陶红霞

（天津城市建设管理职业技术学院，天津 300134）

2015年国务院发布《关于推进城市地下综合管廊建设的指导意见》，大力推动全国城市地下管廊系统，当前国内大部分一二线城市均已开始地下综合管廊系统的建设工作。在进行地下综合管廊建设时，由于涉及诸多深基坑施工，同时开挖尺寸在不断增加，综合管廊基坑施工的安全支护与结构设计引起愈来愈多施工管理人员与研究学者的重视。

本研究选择成都天府新区综合管廊X L段明挖基坑作为研究对象，采用ABAQUS对土体与基坑的支护结构建模，分析基坑开挖支护等施工过程中的变形，通过数值模拟计算与实际监测结果的对比分析，研究基坑变形与受力情况。

1 工程概况

成都天府新区综合管廊采用明挖顺做法施工，基坑开挖深度约21 m，开挖宽度近100 m。基坑采用分层开挖施工，每层开挖深度控制在2～3 m。边坡共划分三级，其中一级边坡坡度为1∶1.5，二级边坡与三级边坡坡度均为1：1.75。坡面护面工程采用的C 20喷射混凝土 +φ8钢筋网（间距 0.15 m×0.15 m），护面厚度 0.08 m，定位钢筋长 1 m，采用H R B 400φ14钢筋（2 m×2 m梅花形布置）对护面内钢筋网予以固定。

2 综合管廊明挖基坑建模

成都天府新区综合管廊X L段基坑工程从纵断面方向分析，其所采用的支护结构形式为同性变化，在纵向结构上选取5 m作为重复施工段的研究长度。考虑到基坑为左右两侧对称形式，选取其中一半结构创建3 D模型，以提升计算效率与速度。此外，为尽可能减少边界效应所带来的不利影响，本研究选择的计算范围为100 m（深度）×100 m（宽度）×5 m（纵向长度）。本研究中，基坑土体与支护结构建模方式如下。

1）土体建模采用M-C（摩尔库伦）理想弹塑性模型，该模型的主要条件为：

式中：c为土的黏聚力；σn为屈服面上的正应力；φ为土体的内摩擦角。

2）支护结构建模则采用的是线弹性本构Model。在ABAQUS软件中，土体与面层均采用的是SolidUnit，锚钉采用的是 Truss Unit，对于土体与锚钉之间的连接则采用Tie Constraint的方式予以联结约束从而实现模拟效果。此外，针对土体模型的边界约束设置为：前后左右4个平面均为法向约束，底部平面采用3个方向的约束形式，顶部平面则采用自由面的方式。

ABAQUS中明挖基坑的模拟施工流程分为a～h8个施工阶段：分别开挖施工至 -3.0，-6.0，-8.0，-10.0，-13.0，-16.0，-19.0，-21.0 m，开挖每层后均挂网喷锚支护8 cm进行护面，在下一层开挖前要待上层喷射混凝土强度达到80%方可开始施工。

3 计算参数设置

本研究中明挖基坑的地层结构土体参数如表1所示。本项目中基坑边坡采用C 20喷射混凝土+钢筋网片的方式予以护面，将内部的 H P B 300φ8钢筋网片考虑在内，护面层与锚钉的参数分别为：泊松比 μ为 0.20和 0.25；弹性模量 E为 22 G P a和200 G P a。

表1 地层结构土体参数

4 基坑变形有限元分析

4.1 基坑边坡顶面水平、竖向变形与地表沉降变形

有限元分析调取本研究项目基坑工程的施工时间段（8月24日—10月18日）的现场监测数据，将ABAQUS中有限元模拟分析计算的数据与之对比分析，以研究综合管廊基坑变形的变化趋势，有限元计算与实际监测数据的对比如图1～3所示。

图1 基坑边坡顶面水平位移实际监测值与模拟计算值对比

图2 基坑边坡顶面竖向位移监测值与模拟计算值对比

图3 地表沉降实际监测值与模拟计算值对比

从总体变化趋势角度而言，实际监测的基坑边坡顶面水平位移与ABAQUS的模拟计算相同，随着基坑开挖与支护施工的不断推进，基坑边坡顶面水平位移值不断变大，然而从图1上可看出模拟计算值与实际监测值相比偏小，施工初期实际监测值为-3.6mm，ABAQUS有限元模拟计算值为 -3.1mm，二者差值最大达2.6mm。当基坑边坡顶面水平位移达到最大时，实际监测值为 -12.7mm，ABAQUS有限元模拟计算值为-11.6mm，实际监测值与模拟计算值差值为1.1mm。

从图2可看出，从总体变化趋势角度而言，实际监测的基坑边坡顶面竖向位移与ABAQUS的模拟计算相同，随着基坑开挖与支护施工的不断推进，基坑边坡顶面竖向位移值不断变大，然而从图2上可看出模拟计算值与实际监测值相比偏小，而且随着时间推移，模拟计算值与实际监测值的差值越来越大。施工初期基坑顶面竖向位移的实际监测值为 -2.0mm，ABAQUS有限元模拟计算值为-1.0mm，二者之间差值为 1.0mm；在基坑顶面竖向位移达到最大值 -11.5mm时，ABAQUS有限元模拟计算值仅为 -8.0mm，二者差值也达到最大值3.5mm。分析出现该差值的原因是因为在进行有限元分析时，缺少对实际工况下时间效应的考量，在基坑实际施工过程中，在所受荷载作用保持恒定的状况下，基坑的变形会随时间的推移而逐步变大，然而在ABAQUS软件中，对于基坑分层开挖与支护的模拟处理均未考虑时间效应，由此忽略了时间效应的影响作用。模拟计算的误差基本在允许范围内。

在ABAQUS有限元模拟分析中，基坑边坡顶面的最大沉降值为8mm，而地表发生最大沉降的位置位于距离基坑边坡的顶部约20 m处，地表最大沉降的模拟计算值为11.6mm，从最大沉降点向左右两侧延伸沉降值逐步变小。出现该结果的原因是基坑受喷锚护面层支护的影响，在锚杆与钢筋片的固定约束作用下使边坡的土体结构得到较强加固，由此基坑边坡顶面位置地表沉降并非最大值，距离基坑边坡顶面越近的位置沉降值越小。

由图3可分析得出，从总体变化趋势角度而言，实际监测基坑周边地表发生的沉降与ABAQUS的模拟计算相同，随着基坑开挖与支护施工的不断推进，基坑周边地表发生的沉降不断变大，然而从图上可看出，模拟计算值与实际监测值相比较偏小，二者的差值开始逐步增大最后又逐渐变小，其中差值最大时达4.0mm，但最终地表沉降的实际监测值为12.1mm，与模拟计算值11.6mm相差无几，略大于模拟计算值。分析施工过程中实际监测值与模拟计算值之间存在较大差距的原因，因为ABAQUS有限元分析是在理想状态下所构建的模型，然而在基坑明挖实际施工过程中，受到外部气候环境、设备仪器、管理水平、施工技术及测量人员素质等因素影响，在利用ABAQUS进行建模时无法将上述影响因素予以量化进去，由此最终有限元模拟计算值与实际监测值存在差异难以避免。总体而言，有限元分析工具在一定程度上可对基坑的变形情况予以较好的呈现。

4.2 施工不同阶段土体深层变形

根据前述划分的施工不同阶段，选择位于基坑顶面边缘外侧3 m位置的剖面，对a～h阶段边坡土体深层的水平位移变化情况予以研究，结果如图4所示。从图4可看出基坑土体在深层变形情况具有如下特点。

图4 施工不同阶段土体深层变形水平位移变化

1）基坑土体开挖完成后，在水平方向上2个相反方向位移的交界处出现在土体深度约27 m处，以该处为交界下部的土体向基坑内侧移动，上部土体向基坑外侧移动。基坑开挖土体会导致基坑底部隆起，与此同时，基坑周边的土体受自重影响也进一步使坑底部发生隆起。上述土体深层水平位移现象与基坑开挖施工的规律相吻合。

2）在明挖基坑施工初期阶段，尤其是在施工阶段a到施工阶段c，即0到-8 m深度的施工阶段，基坑开挖所产生的卸荷影响不是非常显著，同时受到喷锚加固的影响，基坑土体深层水平位移较小，在明挖基坑施工的初期阶段变形较小。

3）进入明挖基坑施工的中后期阶段，随着开挖深度持续增加，土体卸荷作用所带来的影响变得愈来愈显著，以施工阶段 f（开挖至 -16.0 m）为例，该阶段基坑侧壁所受到的土体侧向压力显著增大，地表处所发生水平位移达10.6mm，在施工阶段 a时土体2个相反位移方向的交界深度约10 m，在施工阶段f时土体2个相反位移方向的交界深度达27 m。从施工阶段f（开挖至-16.0 m）到施工阶段 h（开挖至-21 m）土体深层变形情况基本上一致，由此可认为从施工阶段f起基坑整体的变形情况已较为稳定。

5 结语

本研究借助ABAQUS有限元软件，对成都市天府新区综合管廊X L段明挖基坑工程进行建模，并进行有限元分析计算，对比分析了现场施工实际基坑变形数据与有限元模拟计算数据，得出结论如下。

1）通过ABAQUS软件建模所计算出的数据结果，与现场实际施工监测所获得的数据结果具有较好的一致性，验证了本研究所构建的材料本构模型、参数、计算模型具有较好的适用性，受现场实际施工仍然存在一些无法量化于模型的因素影响，虽然模拟计算值与监测数据值存在少许差值，但有限元分析的计算结果可较好地反映出综合管廊明挖基坑施工中的各类变形规律。

2）在喷射混凝土+钢筋网片锚固的支护方式下，基坑顶部地表发生最大沉降的位置位于基坑边坡顶部外侧20 m处，从最大沉降点向左右两侧延伸沉降值逐步变小，验证了喷锚加固体系具有较好的加固作用，减小了基坑边坡顶部附近区域的沉降值。

3）本项目明挖深基坑的整体变形情况为土体自基坑内侧向外侧隆起，底部土体上隆，基坑侧壁发生偏移，在基坑开挖施工前期变形并不显著，随着开挖深度加深，进行三级放坡开挖时土体受到的卸荷作用影响愈来愈明显，导致基坑侧壁发生较为显著的变形，在进入施工后期变形逐渐趋于稳定。

本研究所建立的模型仍然存在着不足之处，在精度上可进一步提升，后续可通过延长纵向上的建模长度，以进一步深入分析综合管廊基坑施工中的变形规律，以供实际施工参考。

参考文献：

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