临路管廊基坑支护体系动力响应

程浩东 刘长松 邱尤宝

1.中信建设有限责任公司 北京 100027 2.山东高速工程建设集团有限公司 山东 济南 250000

在基坑的变形研究方面，张义平[1]等学者基于实际工程使用ABAQUS建立了数值模型，分析了动静荷载结合的情况下交通荷载对基坑变形的影响；马晓芳[2]等研究了交通荷载作用下的如何进行深基坑支护结构设计、以及交通荷载换算和支护结构土压力计算等问题；张金诚[3]等学者通过PLAXIS 3D数值建模软件建立了交通荷载作用下临近基坑模型，研究支护结构变形情况；丁森林[4]等利用理论分析与数值模拟计算相结合，研究了在交通复杂荷载影响下相邻建筑基坑开挖的内力和变形规律；乐金朝[5]等学者利用ABAQUS数值建模软件模拟基坑支护体系在车辆荷载下的动力响应研究，研究得到支护结构的轴力、水平位移随荷载作用距离的增加而增大，轴力随荷载频率的增加而减小，水平位移则与频率呈正相关；徐长节[6]等系统分析了在交通动荷载下基坑围护结构的变形情况，对伴随一定风险的基坑提出合适的加固方法；汪创[7]等使用FLAC 3D模拟研究了地下通道基坑在车辆动荷载影响下的稳定性。综上所述，国内外的众多学者均对交通荷载对基坑开挖过程中的影响进行了分析研究，并解决了众多问题，取得了一定成果，本文结合济南市某临路管廊基坑工程，通过PLAXIS 3D建立模型，分析车辆交通荷载对邻近软土深基坑变形影响规律。

本文基于现有研究成果，在此基础上采用PLAXIS 3D数值模拟软件研究了交通荷载对基坑支护结构动力特性的影响，最后结合工程实例的监测数据，对数值模拟结果的准确性进行了比较和分析，并得出了结果车辆荷载作用下基坑支护结构内力和变形的一般规律。

1 工程背景

新建综合管廊长度约5.625km（道路里程），综合管廊布置于东侧道路红线外的绿化带下，大部分位于规划绿地、人行道和非机动车道下方，标准断面为7.25×3.85m与6.25×3.75m，综合管廊埋深不小于5m，综合管廊基坑深约5～11m，基坑宽度8.25-11m，基坑支护的设计使用期限为2年，本工程周边空旷地域基坑安全等级为二级，距离基坑边一倍深度范围内存在较重要的市政桥梁、电力管沟段基坑安全等级为一级。在拟建工程的范围内，地下的雨水污水管道、自来水管道、燃气及通信电缆等市政设施较多，分布较为复杂，临近基坑的原有道路在施工期间保持正常通行。

拟建场地位于济南市，地形较平坦，地势较低。地下水为第四系孔隙潜水类型，地下水的水位埋藏比较浅，地下水主要依靠大气降水和地表水进行补给，并且主要通过大气蒸发、人工开采及向河流进行排泄，勘探期间在钻孔中测得地下水静止水位埋深2.5～3.1m，相应标高18.62～19.03m，水位季节性变化幅度约2.0～3.0m。历史最高水位约21.50m，近3～5年最高地下水位标高约21.00m。建议常年最高水位为21.50m。

2 有限元模型

2.1 工程概况

土方开挖应分层分段开挖，第一层应开挖至第一道内支撑下50cm处，以后各层高度为内支撑的竖向间距，最后一层高度为最后一道内支撑下50cm至基坑底位置，分段长度不宜大于16m，严禁超挖。模型针对基坑支护类型一进行创建，基坑支护类型一——钢板桩横向设置1道支撑开挖支护，在基坑深度小于6m时使用12m长拉森钢板桩进行双侧壁支护，两侧钢板桩设置2道纵向腰梁，纵向腰梁采用双拼45C工字钢（450*154*10.5）紧贴钢板桩，用φ609*16钢管进行对撑，对撑间距4m，钢板桩嵌入土体以下6m深。

图1 管廊基坑某段示意图

图2 基坑支护结构及土层示意图

2.2 模型参数选取

结合工程实例，模型中的土体参数以及支护结构参数的选取均采用工程实例中所给到的数据，以方便后文中将数值模拟结果与工程实例监测结果进行对比分析。

2.3 几何模型建立

为了减小边界效应的影响，边界面取长宽高为110m×80m×30m，将基坑设置位于模型中央偏一侧，另一侧通过施加移动线荷载模拟车辆荷载，如图3所示。模型采用土体硬化模型，钢板桩采用板单元模拟，腰梁及内支撑采用梁单元模拟。网格划分如图4所示。

表1 土层参数

图3 模型示意图

图4 网格划分图

2.4 支护桩水平位移分析

根据工程实际，选取车辆荷载与基坑距离为5m，车辆荷载选取20kN/m，车辆动荷载循环的数值模拟结果如图5至图8所示，分析得到：在车辆荷载作用下，基坑水平位移模拟值与实测值整体变化趋势是一致的，且数量级相同，数值范围相差不大，临路侧基坑水平位移在40天左右达到最大值，之后保持稳定，远路侧基坑水平位移在60天左右达到最大值，而后略有降低；基坑两侧竖向位移则一直保持下降趋势，最大沉降量均为15mm左右。数值分析结果与监测结果变化规律是一致的，可以用于预测基坑及支护体系的变形，以保证施工过程中的安全性。通过以上数据分析表明数值模拟结果与工程实际监测结果的基本规律相符合。

图5 临路侧基坑水平位移

图6 远路侧基坑水平位移

图7 临路侧基坑竖向位移

图8 远路侧基坑竖向位移

3 结论

以实际工程为背景，通过数值模拟分析研究了车辆荷载作用下基坑支护结构体系动力响应，然后将模拟结果与工程实际监测结果进行对比分析，研究基坑支护体系变形情况。主要得到以下分析结论:

（1）通过对现场监测数据及数值模拟计算结果的对比分析结果表明，交通荷载距离基坑支护结构越近，引起的基坑支护结构水平位移和竖向位移越大。

（2）基坑开挖土体位移随着动荷载距离的增加而减小，车辆荷载距离基坑越远，车辆荷载对基坑变形的影响越微弱。

（3）交通荷载对于地表沉降有一定程度的影响，基坑开挖期间应针对地表沉降加强观测，以免基坑发生动力破坏。