基于有限元的基坑施工对周围环境的影响

申少卿

（中国电力建设工程咨询有限公司，北京 100011）

0 引言

随着城市建设的发展，深基坑工程的规模和难度也在不断增加。大部分深基坑开挖都是在城市中进行的，通常集中在建筑物、道路和地下管道。因此，周围的环境可能会受到很大的影响。由此产生的工程事故也层出不穷，不仅带来了巨大的经济损失，还造成了严重的社会影响[1]。

1 工程概况

数值模拟的土层参数以及支撑结构的参数见表1和表2，管道的参数见表3。

表1 土体物理参数

表2 围护结构物理参数

表3 管道物理参数

2.1 基坑分步开挖过程模拟

基坑分步开挖过程的有限元模拟具体实施步骤如下：

第1 步是在基坑开挖前计算土的初始应力场，初始位移为零。第2 步是第一次挖掘到地表下-2.5 m，计算应力场和位移场。第3 步是第一层支撑设置在表面以下-1.5 m；第四步是在地表以下-8.05 m 处进行二次开挖，计算应力和位移场；步骤5 是将第二层设置为-7.05 m，低于表面支持;步骤6 是在地表下执行步骤3 至-14.64 m，计算此时的应力场和位移场；第7 步是将三层支架设置在地面以下-13.64 m；步骤8 是对最终开挖面进行第四步开挖，在地表以下-16.6 m[2-3]。MIDAS-GTS NX 建立3D 模型如图1 所示。

图1 3D 模型

3 有限元分析

3.1 管线沉降分析

模型开挖到支护完成共设了50 个施工步，分别提取T=10、T=20、T=30、T=40、T=50，5 个施工步的天然气管线和给水管线的位移沉降数据并绘制管线位移沉降曲线如图2和图3 所示。

图2 天然气管线沉降曲线

从图2 中可以看出天然气管线在开挖过程中管线前端与末端的位移较小，中间位移较大，具体当T=10 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-10 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-25 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-8.5 mm。当T=20 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-13 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-34 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-10 mm。当T=30 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-17 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-42 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-14.5 mm。当T=40 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-22 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-53.5 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-18.5 mm。当T=50 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-23.5 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-57.52 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-19.55 mm[4]。

从图3 中可以看出给水管线在开挖过程中管线前端与末端的位移较小，中间位移较大，当T=10 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-5.25mm，距离在6 m 时，沉降位移为-31.5 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-5.55 mm。当T=20 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-8.5 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-38.5 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-11.5 mm。当T=30 时，管线沿X方向距离在1 m 时，沉降位移为-11.55 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-49.5 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-15.25 mm。当T=40 时，管线沿X方向距离在1m 时，沉降位移为-16.57 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-66.5 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-18.25 mm。当T=50 时，管线沿X方向距离在1m 时，沉降位移为-18.35 mm，距离在6 m 时，沉降位移为-75 mm，距离在12 m 时，沉降位移为-21.25 mm。

图3 给水管线沉降曲线

从图2 和图3 可以看出，随着隧道开挖施工时间的增加，管道的累积位移逐渐增大。管道的整体形状是凹的，即前端的位移和管道的末端是小的，中间的位移是大的。隧道施工中天然气管道的最大累积沉降量在T=50 数据中，其最大累积沉降位移为-60.357 mm。天然气管道的沉降曲线相对平缓，且极端点不明显。

在T=50 数据中，隧道施工中给水管道的最大累积沉降位移，其最大累积沉降位移为-76.478 mm。供水管道沉降曲线的极端点是明显的，表明管道的沉降不均匀。从2 条管道的最大累积沉降位移可以看出，隧道开挖对给水管道的影响较大，表明管道越靠近隧道，隧道施工的影响越大。

3.2 桩身位移分析

从图4 中可以看出当T=6 时，桩埋深在1 m 时，桩身水平位移为-0.25 mm，桩埋深在8 m 时，桩身水平位移为-2.25 mm，桩埋深在18 m 时，桩身水平位移为-0.05 mm。当T=12m 时，桩埋深在1 m 时，桩身水平位移为-0.45 mm，桩埋深在8 m时，桩身水平位移为-3.45 mm，桩埋深在18 m 时，桩身水平位移为-0.1 mm。当T=36 时，桩埋深在1 m 时，桩身水平位移为-0.25 mm，桩埋深在8 m 时，桩身水平位移为-10.125 mm，桩埋深在18 m 时，桩身水平位移为-0.05 mm。当T=60 时，桩埋深在1 m 时，桩身水平位移为-0.25 mm，桩埋深在8 m时，桩身水平位移为-17.55 mm，桩埋深在18 m 时，桩身水平位移为-0.02 mm。

图4 显示随着时间的推移，桩的水平位移逐渐增大，逐渐呈现非线性增长。随着基坑开挖深度的增加和预应力锚索的锁定，提出了桩的水平位移曲线。对桩的底部变形很小，中部和顶部的变形较大，桩的最大水平位移深度的0.73 倍桩在桩的顶部，也就是说，桩的9.89 m，基坑的深度的增加，桩体的最大水平位移逐渐向下移动。

图4 桩水平位移曲线

3.3 建筑物沉降分析

为了研究建筑物的沉降位移，在2 个建筑物的70 个沉降测点，依据基坑开挖的不同深度提取数据，并绘制图5 和图6 曲线。

图5 化粪池沉降位移曲线图

从图5 中可以看出，曲线呈现为中间大两边小的情况。距离基坑9.4 m 处位移达到最大值。随着基坑开挖深度的增加，化粪池的沉降也在增加，在开挖到-12 m 处时位移达到最大。

从图6 中可以看出， 曲线呈现为中间大两边小的情况，在中间的分布为锯齿形，随着基坑开挖深度的增加，行政楼的沉降也在增加，在开挖到-12 m 处时位移达到最大。

不同建筑物的沉降位移不同，其主要原因是建筑物的基础形式不相同，化粪池的基础为浅基础因此沉降值大，行政楼的基础形式为深基础，所以沉降值小。建筑物最大沉降量不是发生在基坑周边，而是发生在距离基坑8 m 左右。

图6 行政楼沉降位移曲线图

4 结论

该文结合实际工程，通过MIDAS-GTS 有限元软件对基坑支护结构以及基坑周围环境进行分析，并得出以下结论：

随着隧道开挖施工时间的增加，管道的累积位移逐渐增大。管道的整体形状是凹的，即前端的位移和管道的末端是小的，中间的位移是大的。

管道越靠近隧道，对隧道施工的影响越大。

桩的水平位移逐渐增大，逐渐呈现非线性增长，最大位移发生在距离桩顶1/3 处。

基坑开挖对浅基础的影响较大。