某临近电力管廊深基坑横向变形数值模拟分析

鲁海霞 张 伟

（河南科技大学，河南 洛阳 471000）

从工程实践可以看出，深基坑支护结构的可靠性和稳定性是深基坑安全的重要保证。在保证深基坑工程安全的同时，往往需要考虑其经济效益，这对深基坑支护结构提出了更高更严格的要求。深基坑支护结构一直是基坑工程研究的重点和难点，尤其是周围设施要求其变形控制更严格的区域，基坑的安全牵涉到的经济和安全也更加重要。国内外关于基坑支护及监测研究开展了大量的工作，由于场地或者区域不同，土质性质不能完全复制，周围环境也不尽相同，目前对基坑监测的技术和理论也是在发展的过程中，尤其如何提高数值模拟的可靠度等，还有很大的研究空间。

1 基坑支护结构

随着经济的发展和科学技术的不断创新，越来越多的支护方法被用于建筑基础和边坡的支护。结合该研究案例的实际情况，拟采用的支护方式是选择双排桩、内支撑、锚索进行组合。

1.1 双排桩

与单排桩相比，桩体数量不增加或者增加较少时，改变其排列方式，前后排桩对应或梅花形布置，桩顶用冠梁衔接。性能：侧向刚度大、水平位移小、受力合理。但是，与单排桩相比，基坑支护结构所占区域有所增大。受力计算较复杂。需要结合有限元分析模型计算。其在受力上属于悬臂类空间组合支护形式，往往与内支撑或锚索进行组合使用才能达到良好的效果。

1.2 内支撑

深基坑中，竖向支护结构往往是悬臂支护结构，竖向难以支撑，内支撑的存在相当于减少了竖向受力构件的计算高度，使支护结构的整体性较好，且不受外围场地的限制。

1.3 锚索

布置合理的锚固结构，能够加固岩土体的同时使锚固力通过腰梁或者冠梁传给支撑结构，实现围护的整体性。经济性能较优，施工便捷。但是，周围有低层建筑或地下室、砂土和砾石层、高水位土层、软土层、腐蚀性地层，这些区域不适合选用。

2 工程概况

2.1 工程简述

该项目基坑呈“L”形，东西最长约28.6m，南北最长约35.6m；主体设计标注的±0.000m对应的是158.500m绝对标高，自然地面整平后绝对标高约为158.000m。

该基坑西侧临近已投入使用的洛阳市轨道交通1号线电力管廊及检修井，基坑对管廊的影响区间为K3+280.000～K3+330.000，管廊为 DN2000 混凝土顶管， 埋深约7.5m；受影响的检修井为ZHJ10 号井，尺寸为8.0m×5.0m（长×宽），底部埋深约8.8m。电力管廊外缘距基坑上口线最小平距约为3.720m，距基坑支护桩外边缘约4.130m；检修井外缘距基坑上口线最小平距约为1.780m，距基坑支护桩外边缘约2.267m。

2.2 工程地质水文条件

拟建场地基本整平，各勘探点孔口标高基本在156.74m～157.32m，高差基本在0.58m以内。地貌单元属涧河Ⅱ级阶地。拟建场地位于华北断块内，根据该区域地质及历史资料，该场地未出现相关活动断裂。根据勘察数据，地下水位埋深在自然地面下22.50m～23.30m，相对初见水位标高应在134.00m～134.80m；稳定水位在自然地面下约22.00m～23.00m，相应稳定水位标高在约135.10m～135.66m。根据洛阳地方相关资料显示数据，抗浮设防水位设计值按139.0m。

2.3 地铁保护范围内基坑支护方案

基坑支护平面图如图1所示。1-1剖面采用上部放坡+下部双排桩+锚索支护方式（该文研究重点，临近电力管廊一侧）。2-2剖面采用上部放坡+下部双排桩+内支撑支护方式。2，-2，剖面采用上部土钉墙+下部双排桩+内支撑支护方式。3-3剖面采用上部放坡+下部双排桩支护方式。

图1 基坑支护平面示意图

3 数值模拟分析

3.1 基本假定

在建模和计算过程中，不可能全部考虑所有的因素，而是要分清楚主次，抓住主要的关键的因素，忽略次要的非必需的因素，并结合土质类别，分析其主要特征，具体问题进行适当简化。所以本次计算数值模拟采用了以下假设。1）在应力场初始模拟时，仅考虑自重应力的影响，不考虑构造应力的影响。2）按照理想的弹塑性材料去考虑围岩-土壤材料，也就是按照一种均匀各向同性的连续介质材料考虑。模拟过程中采用修正的库仑-摩尔弹塑性模型，这主要是基于宏观材料特性。计算时土体采用实体单元进行模拟。同时，该工程CFG桩密集设置，土体参数得到了一定的改善，所以对该工程的复合地基也进行了模拟。3）基坑开挖过程中，荷载不断变化。为了便于计算和模拟，将不同施工阶段的荷载变化细化为一定数量的荷载变化，模拟地层应力随施工进度的变化。4）边界条件模拟。计算土壤底面的垂直Z位置；侧面分别限制横向x和纵向y的位移，表面为自由表面。

3.2 本构模型

采用修正的莫尔-库仑本构模型模拟了非线性弹性模型和幂律弹塑性模型的组合模型。修正的莫尔-库仑本构模型的剪切屈服面与莫尔-库仑本构模型的剪切屈服面相同，压缩屈服面为椭圆帽本构模型。此外，修正后的莫尔-库仑本构模型的剪切屈服面和压缩屈服面是独立的，剪切方向和压缩方向采用双硬化模型。与莫尔-库仑本构模型相比，修正后的莫尔-库仑本构模型更适用于开挖模型。

3.3 材料参数

参考洛阳地铁1号线的工程图纸设计情况以及本基坑的支护方案设计图纸，主要材料见表1，材料弹性模量根据《混凝土结构设计规范（2015 年版）》（GB 50010—2010）取用。

表1 钢筋混凝土材料参数

3.4 土层参数

根据该医院岩土工程勘察报告，具体的土层力学性能参数见表2。

表2 土层参数

3.5 模型施工工序划分

土方情况直接影响着支护结构及周围设施的受力和变形情况，该研究根据拟采用的施工工序，分析建立了基坑、电力管廊以及周边建筑物的有限元模型。该项目基坑支护具体施工模拟见表3。

3.6 有限元模型

为了模拟结果更加接近工程实际，使其变形和受力特征也更加和实践贴合，该深基坑建立模型时用MIDAS/GTS三维的方法选取深基坑西侧支护典型剖面1-1剖面进行建模。根据《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497—2019），基坑有效影响范围为3倍的基坑开挖深度，因此模型大小取120m×130m×50m。模型共有100910个单元，65772个节点。有限元三维整体计算模型如图2所示，管廊结构与基坑相对位置关系如图3所示。

图2 三维整体模型

图3 管廊结构与基坑相对位置关系图

3.7 电力管廊横向位移分析

关于该医院基坑工程施工过程对洛阳市城市轨道交通1号线牡丹广场主变电所外部电源电缆廊道的影响，该数据模型按照表3的工况划分，重点分析了临近基坑的3个重要构筑物：电力管廊、检查井、电力管廊和检修井间的变形缝、支撑体系，作为对整个支撑体系及周围设施的安全性能评估。关于临近基坑段电力管廊，该文进行了横向、纵向和竖向位移分析。由于纵向和竖向变形较小，均小于1mm，在此不对其进行分析。

表3 基坑支护具体施工工序模拟

根据14次数值模拟计算结果，绘制得出在基坑开挖至设计标高并回填至原始地面后的电力管廊变形情况。基坑开挖至基坑回填整个施工过程中电力管廊结构的最大位移为横向位移，各工况对应的电力管廊最大横向位移具体结果见图5。横向变形较大，会产生较严重的后果。所以，该文仅对横向变形的数值进行数值分析。图4为基坑进行第八次开挖时电力管廊的位移分析，其显示出该工况下，电力管廊变形的最大值与最小值出现的位置。

图4 第八次开挖

根据图5计算统计分析结果，该工程基坑施工过程中对电力管廊横向位移有明显影响，主要表现为向基坑侧偏移。通过分析各施工阶段电力管廊横向位移变化趋势，发现电力管廊横向位移随基坑施工过程有增大的趋势，在开挖至基坑底时达到2.241 mm，到基坑回填至地面时的达到最大值2.380 mm，同时在第八个开挖工况变形增量最大，虽然最大值尚在控制值的范围内，但是为现场监测提供理论建议。图4表明，电力管廊最大横向位移出现在正对基坑中部位置。因此，当基坑开挖最后一层土时，应根据监测数据变化趋势适当加强对电力管廊的监测，特别是正对基坑中部处的管廊结构。

图5 各阶段对应的电力管廊最大横向位移

该节主要阐述的是使用Midas/GTS模拟软件对某医院深基坑工程对其临近电力管廊的横向位移进行建模和分析。当然，国内外关于临近电力管廊的基坑支护确实有部分研究，由于场地或者区域不同，土质性质不能完全复制，周围环境也不同，因此不能死板地黏贴复制，但是可以提供给类似工程参考价值，尤其要重视基坑及其临近设施的横向变形。

4 结语

该文以洛阳某医院基坑工程为研究对象，根据洛阳典型地质条件，在确定深基坑支护方案的情况下对其稳定性进行研究。采用理论分析围护结构的受力和变形模式，并对建筑物荷载和车辆荷载进行等效，然后对模拟数据进行计算，从而分析基坑支护结构的变形、受力，并建立数值模型模拟实际施工，利用模拟数据与监测数据的分析结果去论证模型的科学性，最后利用该文数据对工程实际进行安全评估。这也为该地区其他类似工程提供一定的参考价值。但是，该文在模型建立部分，结构材料参数相对来说更理想化，整个开挖过程模拟与工程现场实际存在一定的差异性，在今后的研究中会更加关注材料参数的确定和更贴近现场实际情况的模拟。