梁艳
（南宁城建管廊建设投资有限公司，南宁 530219）
随着城市建设的不断发展，土地资源十分紧缺，工程师的目光不再局限于城市地面建设，越来越关注于城市地下空间的开发与利用，随之而来的基坑工程施工与日俱增，其开挖深度也随着施工技术与设备的更新不断增加以满足工程需求，因此在基坑开挖的施工过程中不免产生一些问题［1-3］。如由于过量的土方开挖、不合理的施工步骤以及开挖速度从而引起基坑产生过大的变形而发生失稳破坏，亦或是导致紧邻基坑的地下管线变形、破裂，延误施工进度的同时也会造成社会经济损失，严重则会造成人员伤亡。基坑开挖可以理解为土体卸荷的过程，必定会改变邻近土体的原始应力场和位移场以及造成地下水位的变化，引起周围地基土体和建筑物的变形，对相邻地下管线或隧道产生影响，如导致地下管线破裂、隧道基础产生差异沉降等［4，5］，将危及到建（构）筑物的正常使用或人身安全。目前国内外学者对于此问题都进行了相关的研究。采用理论分析或经验估计［6，7］，例如两阶段分析方法，首先计算基坑开挖引起作用在隧道的附加应力或位移，再采用不同的地基梁模型建立基坑开挖对隧道影响的微分方程进而求解隧道的产生的变形。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。而有限元法［8，9］能够模拟基坑开挖与支护全过程，从而可以得到不同工况下地表沉降、围护结构水平位移以及基底隆起等变形参数，为工程实践提供一定的参考价值。
因此，文中采用有限元软件ABAQUS对该基坑开挖全过程进行数值模拟，土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，混凝土结构采用弹性模型，并考虑结构与土之间相互作用，对基坑的典型剖面进行有限元分析。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，并通过单元生死对全过程“顺作法”基坑开挖与支护进行数值模拟，并将有限元结果与现场实测数据进行对比验证，分析了基坑开挖卸荷过程中周边地下管线的附加变形以期为类似工程提供一定的借鉴意义。
1.1 工程概况
工程其建筑高度为216m，建筑上部结构为38层结构塔楼，设置3层地下室。基础采用桩筏基础形式，主体结构选用框架-核心筒结构，并采用钻孔灌注桩作为工程桩。基坑总面积约6400m2，周长约317m，呈不规则矩形形状，基坑最大开挖深度可达19.10m。基坑平面图及计算剖面布置如图1所示。根据基坑工程周边勘探资料显示，基坑东侧及北侧埋有多条市政管线，而基坑的西侧和南侧环境相对宽松，因此，基坑的东侧与北侧道路及相应地下市政管线的变形是本基坑的保护重点［10］。
图1 基坑平面图及计算剖面布置
1.2 水文地质条件
基坑拟建场区地形平坦，土层分布稳定，主要由砂性土、粉性土及粘性土组成，属于滨海平原地貌类型，自然地面标高约为3.86～4.44m。地面较为平整，基坑开挖区域的主要土层及其物理力学指标如表1所示。
表1 土层物理力学指标
基坑工程主要含两类水层：地面约4m以下的第②0层粘质粉土层为潜水层，地面以下约30m处的第⑦层粉砂层为承压含水层，并与约70m深度处的砂土层相互连通，因此基坑工程需对潜水及第⑦层承压水进行降水处理［11］。
基坑工程地处繁华地段，开挖深度较深，基坑周边埋有大量地下管线，对周边的环境保护有一定的要求，并综合考虑基坑面积及形状、基坑开挖深度等因素，同时考虑到工程进度和经济性等因素，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［11］。
由于工程开挖深度约达17.5m，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，而采用地下连续墙作为围护体又会制约工程进度，同时钢支撑对于基坑工程而言，截面抗压承载力较为不足且整体刚度较小，因此基坑支护方案采用三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕，选取钻孔灌注桩作为基坑的围护体，水平支撑系统采用钢筋混凝土支撑。钻孔灌注桩结合止水帷幕作为围护体其优势在于施工简便、对周边环境及建筑物危害小、有利于加快施工进度等。同时，三轴水泥土搅拌桩可对基坑各边跨中被动区进行加固。在基坑竖向设置三道钢筋混凝土水平支撑系统，坑内加固从第二道支撑底开始至基底以下4m，以增加被动区土体抗力，减小围护体变形和坑底隆起量，从而减小对周边环境的影响。并且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。
3.1 有限元模型的建立
3.1.1 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。
3.1.2 选取计算截面
土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型进行模拟，该模型多应用于在实际岩土工程中。由现场勘探报告提供计算所需的土体参数，如土体重度γ、粘聚力c、内摩擦角φ及渗透系数k等参数指标。并通过大量类似的工程监测数据反演得出弹性模量。
围护体的材料为混凝土，采用弹性本构模型进行模拟。相应的几何参数，如横截面面积、截面惯性矩等需折算到每延米范围上来确定。有关结构构件的计算参数如表2所示。
表2 结构与构件的有关参数
3.1.3 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。
基本模型简化为平面应变问题，选取距管线最近的剖面作为分析面，并采用对称结构，严格参考设计方案的各参数建立有限元模型。基坑内的长度为37m，基坑普遍开挖深度为16.4m，最深处达到19.1m。自围护桩向外延伸100m，自开挖面向下延伸43.6m，以尽量减小侧面边界条件对计算结果的影响。模型的平面总尺寸为137m×60m。模型包括土体、围护桩、水平支撑及周边的管线结构。其中土体采用高精度的15节点三角形单元模拟，围护桩采用梁单元模拟，水平支撑采用弹簧单元模拟，周边管线采用梁单元模拟。
有限元网格如图2所示。划分时考虑将坑内部分和墙后靠近地表部分的单元适当加密。总单元数量为6382个，总结点数为52053个。
图2 有限元网格
3.2 施工工况模拟
为了能对基坑开挖全过程施工的模拟，对基坑典型剖面共分6个工况进行计算，各个工况的计算如下：
（1） 工况1：计算包括坑外管线在内的初始地应力场。
（2） 工况2：模拟围护桩的施工和加固区土体的施工。
（3） 工况3：开挖至地表以下2.05m。
（4） 工况4：支设第一道支撑并开挖至地表以下7.6m。
（5） 工况5：支设第二道支撑并开挖至地表以下13.1m。
（6） 工况6：支设第三道支撑并开挖至基坑坑底。
3.3 有限元模型计算结果分析
采用有限元分析软件ABAQUS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，并分析在基坑开挖卸荷过程中周边管线的附加变形，如图3所示。
图3 开挖至基底时变形网格图（放大25倍）
图4～图6分别给出了开挖至基底时的水平位移云图、竖向位移云图及总位移云图。从图4～图6中可以看出，对于东南侧周边地下管线，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。
图4 开挖至基底时水平位移云图（单位：mm）
图5 开挖至基底时竖向位移云图（单位：mm）
图6 开挖至基底时总位移云图（单位：mm）
东南侧周边地下管线变形有限元计算结果如表3所示。表3表明对于700mm地下管线，随着地管线距离基坑越远，管线水平位移先增加后减小，基坑开挖引起埋深较浅管线的最大水平位移为13.65mm；
随着管线埋深越深，管线竖向沉降呈现先减小后增加的趋势，基坑引起埋深较深管线的最大竖向沉降为17.7mm。由此可知，地下管线的变形受到基坑边缘距离和管线埋深的共同影响。除此之外，表3给出了地下管线变形有限元模拟结果与现场实测数据的对比。由表3可知，文中有限元模拟结果与现场实测数据有较高的吻合度，对比结果说明文中的有限元模拟的正确性和有效性。
表3 有限元计算结果汇总
文中采用有限元软件ABAQUS建立对基坑开挖全过程进行模拟，选取距离基坑东南侧较近的埋有地下管线的典型剖面进行数值模拟分析，探究了基坑开挖对周边地下管线变形的影响，并与现场实测数据进行对比分析，得到以下主要结论：
（1） 文中所采用的有限元方法能较为准确地模拟实际基坑开挖过程，地下管线变形的数值模拟结果与现场实测结果具有良好的一致性，可为相似工程提供一定的借鉴意义。
（2） 地下管线的附加变形受到基坑边缘距离和管线埋深的共同影响。其水平位移随离基坑边缘距离增加呈现先增加后减小趋势，竖向沉降随埋深增加表现出先减小后增大趋势。因此，在基坑开挖过程中需密切关注地下管线的变形以防止破坏管线。
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