基于有限元的基坑施工對(duì)周?chē)h(huán)境的影響

申少卿

（中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢(xún)有限公司，北京 100011）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，深基坑工程的規(guī)模和難度也在不斷增加。大部分深基坑開(kāi)挖都是在城市中進(jìn)行的，通常集中在建筑物、道路和地下管道。因此，周?chē)沫h(huán)境可能會(huì)受到很大的影響。由此產(chǎn)生的工程事故也層出不窮，不僅帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還造成了嚴(yán)重的社會(huì)影響[1]。

1 工程概況

數(shù)值模擬的土層參數(shù)以及支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)見(jiàn)表1和表2，管道的參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 土體物理參數(shù)

表2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)物理參數(shù)

表3 管道物理參數(shù)

2.1 基坑分步開(kāi)挖過(guò)程模擬

基坑分步開(kāi)挖過(guò)程的有限元模擬具體實(shí)施步驟如下：

第1 步是在基坑開(kāi)挖前計(jì)算土的初始應(yīng)力場(chǎng)，初始位移為零。第2 步是第一次挖掘到地表下-2.5 m，計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)。第3 步是第一層支撐設(shè)置在表面以下-1.5 m；第四步是在地表以下-8.05 m 處進(jìn)行二次開(kāi)挖，計(jì)算應(yīng)力和位移場(chǎng)；步驟5 是將第二層設(shè)置為-7.05 m，低于表面支持;步驟6 是在地表下執(zhí)行步驟3 至-14.64 m，計(jì)算此時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；第7 步是將三層支架設(shè)置在地面以下-13.64 m；步驟8 是對(duì)最終開(kāi)挖面進(jìn)行第四步開(kāi)挖，在地表以下-16.6 m[2-3]。MIDAS-GTS NX 建立3D 模型如圖1 所示。

圖1 3D 模型

3 有限元分析

3.1 管線沉降分析

模型開(kāi)挖到支護(hù)完成共設(shè)了50 個(gè)施工步，分別提取T=10、T=20、T=30、T=40、T=50，5 個(gè)施工步的天然氣管線和給水管線的位移沉降數(shù)據(jù)并繪制管線位移沉降曲線如圖2和圖3 所示。

圖2 天然氣管線沉降曲線

從圖2 中可以看出天然氣管線在開(kāi)挖過(guò)程中管線前端與末端的位移較小，中間位移較大，具體當(dāng)T=10 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-10 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-25 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-8.5 mm。當(dāng)T=20 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-13 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-34 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-10 mm。當(dāng)T=30 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-17 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-42 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-14.5 mm。當(dāng)T=40 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-22 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-53.5 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-18.5 mm。當(dāng)T=50 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-23.5 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-57.52 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-19.55 mm[4]。

從圖3 中可以看出給水管線在開(kāi)挖過(guò)程中管線前端與末端的位移較小，中間位移較大，當(dāng)T=10 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-5.25mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-31.5 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-5.55 mm。當(dāng)T=20 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-8.5 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-38.5 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-11.5 mm。當(dāng)T=30 時(shí)，管線沿X方向距離在1 m 時(shí)，沉降位移為-11.55 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-49.5 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-15.25 mm。當(dāng)T=40 時(shí)，管線沿X方向距離在1m 時(shí)，沉降位移為-16.57 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-66.5 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-18.25 mm。當(dāng)T=50 時(shí)，管線沿X方向距離在1m 時(shí)，沉降位移為-18.35 mm，距離在6 m 時(shí)，沉降位移為-75 mm，距離在12 m 時(shí)，沉降位移為-21.25 mm。

圖3 給水管線沉降曲線

從圖2 和圖3 可以看出，隨著隧道開(kāi)挖施工時(shí)間的增加，管道的累積位移逐漸增大。管道的整體形狀是凹的，即前端的位移和管道的末端是小的，中間的位移是大的。隧道施工中天然氣管道的最大累積沉降量在T=50 數(shù)據(jù)中，其最大累積沉降位移為-60.357 mm。天然氣管道的沉降曲線相對(duì)平緩，且極端點(diǎn)不明顯。

在T=50 數(shù)據(jù)中，隧道施工中給水管道的最大累積沉降位移，其最大累積沉降位移為-76.478 mm。供水管道沉降曲線的極端點(diǎn)是明顯的，表明管道的沉降不均勻。從2 條管道的最大累積沉降位移可以看出，隧道開(kāi)挖對(duì)給水管道的影響較大，表明管道越靠近隧道，隧道施工的影響越大。

3.2 樁身位移分析

從圖4 中可以看出當(dāng)T=6 時(shí)，樁埋深在1 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.25 mm，樁埋深在8 m 時(shí)，樁身水平位移為-2.25 mm，樁埋深在18 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.05 mm。當(dāng)T=12m 時(shí)，樁埋深在1 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.45 mm，樁埋深在8 m時(shí)，樁身水平位移為-3.45 mm，樁埋深在18 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.1 mm。當(dāng)T=36 時(shí)，樁埋深在1 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.25 mm，樁埋深在8 m 時(shí)，樁身水平位移為-10.125 mm，樁埋深在18 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.05 mm。當(dāng)T=60 時(shí)，樁埋深在1 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.25 mm，樁埋深在8 m時(shí)，樁身水平位移為-17.55 mm，樁埋深在18 m 時(shí)，樁身水平位移為-0.02 mm。

圖4 顯示隨著時(shí)間的推移，樁的水平位移逐漸增大，逐漸呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加和預(yù)應(yīng)力錨索的鎖定，提出了樁的水平位移曲線。對(duì)樁的底部變形很小，中部和頂部的變形較大，樁的最大水平位移深度的0.73 倍樁在樁的頂部，也就是說(shuō)，樁的9.89 m，基坑的深度的增加，樁體的最大水平位移逐漸向下移動(dòng)。

圖4 樁水平位移曲線

3.3 建筑物沉降分析

為了研究建筑物的沉降位移，在2 個(gè)建筑物的70 個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，依據(jù)基坑開(kāi)挖的不同深度提取數(shù)據(jù)，并繪制圖5 和圖6 曲線。

圖5 化糞池沉降位移曲線圖

從圖5 中可以看出，曲線呈現(xiàn)為中間大兩邊小的情況。距離基坑9.4 m 處位移達(dá)到最大值。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，化糞池的沉降也在增加，在開(kāi)挖到-12 m 處時(shí)位移達(dá)到最大。

從圖6 中可以看出， 曲線呈現(xiàn)為中間大兩邊小的情況，在中間的分布為鋸齒形，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，行政樓的沉降也在增加，在開(kāi)挖到-12 m 處時(shí)位移達(dá)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礎(chǔ)形式不相同，化糞池的基礎(chǔ)為淺基礎(chǔ)因此沉降值大，行政樓的基礎(chǔ)形式為深基礎(chǔ)，所以沉降值小。建筑物最大沉降量不是發(fā)生在基坑周邊，而是發(fā)生在距離基坑8 m 左右。

圖6 行政樓沉降位移曲線圖

4 結(jié)論

該文結(jié)合實(shí)際工程，通過(guò)MIDAS-GTS 有限元軟件對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑周?chē)h(huán)境進(jìn)行分析，并得出以下結(jié)論：

隨著隧道開(kāi)挖施工時(shí)間的增加，管道的累積位移逐漸增大。管道的整體形狀是凹的，即前端的位移和管道的末端是小的，中間的位移是大的。

管道越靠近隧道，對(duì)隧道施工的影響越大。

樁的水平位移逐漸增大，逐漸呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)，最大位移發(fā)生在距離樁頂1/3 處。

基坑開(kāi)挖對(duì)淺基礎(chǔ)的影響較大。