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摘要：本文结合打浦路隧道复线浦西段深基坑施工，采用有限元计算软件ABAQUS模拟了基坑的整个开挖过程，对围护结构和支撑体系的在不同施工阶段的应力和变形的变化特征进行了探讨，并得出了几点建议性结论。
关键词：深基坑开挖；变形分析；围护结构；有限元分析
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
Finite element simulation analysis of excavation process of foundation pit for double line project of Dapu road tunnel
1. Shanghai University 2. Jiangsu Yuanjing Engineering Design & Consuleing Co.,Ltd
Abstract: In conjunction with deep pit excavation at the Puxi section of duplicate project for Dapu Road tunnel, characteristics of the supporting structures and system's displacements and stress in different stages of construction are simulated by the ABAQUS progame. Some suggestive conclusion have been drawn.
Keywords: foundation excavation; deformation analysis; finite element analysis
引言
随着城市地下空间开发和大直径越江公路隧道的加速发展，越来越多的深基坑施工面临更加严峻的工况条件，施工难度与风险也大大增加。隧道的施工方法很多，例如明挖法、暗挖法[1-2]等，具体选取何种方法需要经过经济对比分析才能确定。深基坑工程是一个复杂的多工序系统工程,随着基坑开挖规模的不断扩大,对支护结构的工作状态和位移提出了越来越严格的限制。基坑在开挖过程中，由于受外部复杂条件的影响，如卸载作用、基坑周围降水作用以及施工振动对土体的扰动作用,土体性质发生改变，作用在支护结构上的土压力也随之发生变化,土压力的变化最终导致支护结构的变形。因此，支护结构的变形在一定程度上反映了即时土体的性态以及土压力的作用，基坑的安全运行状态一般建立在支护结构变形规律分析的基础上[3-5]。
本文以打浦路隧道复线工程浦西岸边段A、B区的基坑开挖为研究背景,采用有限元计算ABAQUS[6]数值分析模拟了隧道基坑开挖的各施工阶段，并分析了基坑开挖对支撑及围护结构的影响。
工程概况
打浦路隧道复线工程位于现有打浦路隧道西侧，起自浦西中山南路—日晖东路交叉口，沿日晖港至其南端后折向东，在开平路东侧设置浦西工作井，再沿日晖港北侧敷设，在既有打浦路隧道西侧越江，隧道下穿后滩轮渡站后在浦东登陆，之后接浦东后滩地区规划路，并依次下穿规划浦明路、规划南环路、规划雪野路，并在规划南环路以南设浦东工作井，终止于浦东耀华路-长清路交叉口，全长2.969km。
打浦路隧道复线工程浦西岸边段施工划分为A、B、C、D、E五个大区，如图1所示。A区包括打浦路隧道复线工程浦西工作井、暗埋段PX1～PX4、环卫北侧地下二层车库，围护结构采采用600～1000厚地下连续墙，局部采用Ф1200mm钻孔灌注桩加旋喷桩止水；支撑体系的使用上，工作井采用2道砼支撑，5道鋼支撑；隧道暗埋段采用1道砼支撑，2～4道钢支撑；环卫北侧车库采用1道砼支撑，2道钢支撑。内部结构采用明挖顺筑施工。B区包括打浦路隧道匝道暗埋段（日晖港段）、肇嘉浜泵站排水箱涵改造，分为三个阶段施工，即B1、B2、B3区；B1区西侧为盖挖施工，采用Ф850mmSMW工法桩，B1区东侧明挖施工，采用Ф800mm钻孔灌注桩加旋喷止水；B2、B3区均采用Ф800～1200mm钻孔灌注桩加搅拌桩止水；支撑体系的应用上，B1区西侧采用2道钢支撑，B1区东侧采用4道钢支撑；B2区采用4道钢支撑；B3区采用3道砼支撑。
图1 施工分区示意图
基坑开挖数值模拟分析
我们分别按以下4种情形进行有限元模拟：(1) 以打浦路隧道B1区开挖为例，用数值模拟分析基坑的围护、支撑结构的受力分析。(2) 第一阶段为 B2区与A区（浦西工作井、暗埋段PX1～PX4、环卫北侧地下二层车库）基坑同步开挖。(3) 第二阶段为开挖完成后内部结构施工。(4) 最后按B3区基坑开挖，分析B3区开挖对已建成B2区结构、A区结构的影响。土层分布及性质见表1。
图1 土层分布及性质
B1区围护结构施工完成后，基坑分四层开挖，分析基坑开挖对支撑及围护结构的影响，监测点位置见图2(a)~(d)。开挖的过程为前两次开挖时，每次开挖深度为4米，开挖前先布置一道支撑。第三、四次开挖，每次开挖深度减为3米，开挖前先布置一道支撑。在各开挖阶段的有限元元计算中，分10步进行开挖。
图2(a) 施工分区示意图
图2(b) 支撑监测点位置布置图
图2(c) 围护墙顶部监测点位置布置图
图2(c) 围护墙内部监测点位置布置图
3. 1 有限元模型的建立
整体模型X-Y平面图、围护墙及支撑Y-Z平面图如图3（a）、（b）所示，模型结构尺寸与工程设计断面尺寸一致。土体为矩形的计算域。计算域远端及侧面边界约束X，Y两个方向，模型底部边界约束X，Y，Z三个方向。土体、围护和支撑结构均采用六面体缩减积分单元。基坑开挖过程如图4所示。
土体本构模型采用岩土工程中广泛应用的扩展Drucker-Prager模型[17]。围护结构及支撑相比于土体刚度大得多，相对变形小，因此围护结构及支撑采用线弹性本构。引入接触面模拟围护结构与土体在相互作用时发生的错动、滑移或张开等位移不连续现象。接触面的切向属性采用库伦线性摩擦本构理论，通过设置罚函数引入摩擦系数，法向采用硬接触方式。围护结构与支撑之间采用Tie约束固定。
图3(a) 基坑围护及支撑的模型X-Y平面图 图3(b) 围护墙及支撑Y-Z平面图
图4 基坑开挖过程
3. 2 不同开挖过程的有限元模拟分析
图5给出了围护墙及支撑随开挖、加设支撑的过程中的X方向轴应力变化情况。图6给出了围护墙及支撑随开挖、加设支撑的过程中X方向的位移。
(a) 第一次开挖(b) 第二次开挖
(c) 第三次开挖(d)第四次开挖
图5围护墙位移、支撑轴向应力比较
(a) 第一次开挖 (b)第二次开挖
(c) 第三次开挖(d)第四次开挖
图6 围护墙位移、支撑轴向应力比较
以观测点W3及W5为代表，将以上云图中的数据汇总于表2，对不同开挖过程中，围护墙位移及支撑轴向应力进行了比较。
表 2围护墙位移、支撑轴向应力比较
由表2可知，W3点随着开挖深度的增加，第一道支撑从受压状态变为受拉状态，受压时应力递减，受拉时应力递增。随着开挖深度的增加，围护墙顶部竖向位移基本不变，水平向位移递减，开挖到设计深度时，水平位移将出现负值，有反弯点出现；围护墙内部竖向位移保持逐步增大，水平位移明显增加，并在第四次开挖后出现最大位移。
W5点开挖深度到同样深度时，W5点受力小于W3点支护结构的轴向受力状态。随着开挖深度的进一步增加，第一道支撑从受压状态将变为受拉状态，受压时递减，受压时递增。随着开挖深度的增加，围护墙顶部竖向位移递减，水平向位移递减，开挖到设计深度时，水平位移将出现负值，反弯点出现；围护墙内部竖向位移呈现逐步增大的趋势，水平位移有明显增加，并在第四次开挖后出现最大位移，相比W3点同样开挖深度时，变形略小。
表3(a) X向位移、应力比较
表3(b) Y向位移、应力比较
表3(c) Z向位移、应力比较
通过以上分析，我们可以得到以下结论：
(1) 计算结果表明，圍护结构的变形以及支撑体系的应力符合规范要求，变形最大点容易出现在基坑中间位置，竖直方向的变形呈曲线形式，将在底部以下某个位置会出现反弯点。
(2) 新基坑的开挖对临近已施工完成的基坑影响较小，变形主要改变出现的竖直方向，将会有所减小；而应力对不同位置的已完成的基坑影响有所不同，不过都将有所减小。
(3) 在基坑支护中，要对受基坑影响明显的区域( 基坑底部和边缘) 给予重点支护，在开挖前对坑边采取坑加固等，有限元模拟可以给基坑开挖建设前提供有参考性的数据，可以在工程中加以利用。
参考文献
[1]. 刘健航. 基坑工程手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 1997.
[2]. 杨晓杰, 刘冬明, 张 帆, 等. 地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究[J]. 地下空间与工程学报, 2010, 6(3): 516-520.
[3]. 黄茂松, 廖俊展, 魏星. 软土应力各向异性及其对深基坑工程的影响[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(4): 502-505.
[4]. 俞建霖, 龚晓南. 基坑工程变形性状研究[J]. 土木工程学报, 2002, 35(4): 86-90.
[5]. 曾剑锋, 黄德星. 浅析深基坑支护结构变形规律[M]. 广东科技, 2006, 2(5): 54-55.
[6]. 费康, 张建伟. ABAQUS在岩土工程中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社.
关键词：深基坑开挖；变形分析；围护结构；有限元分析
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
Finite element simulation analysis of excavation process of foundation pit for double line project of Dapu road tunnel
1. Shanghai University 2. Jiangsu Yuanjing Engineering Design & Consuleing Co.,Ltd
Abstract: In conjunction with deep pit excavation at the Puxi section of duplicate project for Dapu Road tunnel, characteristics of the supporting structures and system's displacements and stress in different stages of construction are simulated by the ABAQUS progame. Some suggestive conclusion have been drawn.
Keywords: foundation excavation; deformation analysis; finite element analysis
引言
随着城市地下空间开发和大直径越江公路隧道的加速发展，越来越多的深基坑施工面临更加严峻的工况条件，施工难度与风险也大大增加。隧道的施工方法很多，例如明挖法、暗挖法[1-2]等，具体选取何种方法需要经过经济对比分析才能确定。深基坑工程是一个复杂的多工序系统工程,随着基坑开挖规模的不断扩大,对支护结构的工作状态和位移提出了越来越严格的限制。基坑在开挖过程中，由于受外部复杂条件的影响，如卸载作用、基坑周围降水作用以及施工振动对土体的扰动作用,土体性质发生改变，作用在支护结构上的土压力也随之发生变化,土压力的变化最终导致支护结构的变形。因此，支护结构的变形在一定程度上反映了即时土体的性态以及土压力的作用，基坑的安全运行状态一般建立在支护结构变形规律分析的基础上[3-5]。
本文以打浦路隧道复线工程浦西岸边段A、B区的基坑开挖为研究背景,采用有限元计算ABAQUS[6]数值分析模拟了隧道基坑开挖的各施工阶段，并分析了基坑开挖对支撑及围护结构的影响。
工程概况
打浦路隧道复线工程位于现有打浦路隧道西侧，起自浦西中山南路—日晖东路交叉口，沿日晖港至其南端后折向东，在开平路东侧设置浦西工作井，再沿日晖港北侧敷设，在既有打浦路隧道西侧越江，隧道下穿后滩轮渡站后在浦东登陆，之后接浦东后滩地区规划路，并依次下穿规划浦明路、规划南环路、规划雪野路，并在规划南环路以南设浦东工作井，终止于浦东耀华路-长清路交叉口，全长2.969km。
打浦路隧道复线工程浦西岸边段施工划分为A、B、C、D、E五个大区，如图1所示。A区包括打浦路隧道复线工程浦西工作井、暗埋段PX1～PX4、环卫北侧地下二层车库，围护结构采采用600～1000厚地下连续墙，局部采用Ф1200mm钻孔灌注桩加旋喷桩止水；支撑体系的使用上，工作井采用2道砼支撑，5道鋼支撑；隧道暗埋段采用1道砼支撑，2～4道钢支撑；环卫北侧车库采用1道砼支撑，2道钢支撑。内部结构采用明挖顺筑施工。B区包括打浦路隧道匝道暗埋段（日晖港段）、肇嘉浜泵站排水箱涵改造，分为三个阶段施工，即B1、B2、B3区；B1区西侧为盖挖施工，采用Ф850mmSMW工法桩，B1区东侧明挖施工，采用Ф800mm钻孔灌注桩加旋喷止水；B2、B3区均采用Ф800～1200mm钻孔灌注桩加搅拌桩止水；支撑体系的应用上，B1区西侧采用2道钢支撑，B1区东侧采用4道钢支撑；B2区采用4道钢支撑；B3区采用3道砼支撑。
图1 施工分区示意图
基坑开挖数值模拟分析
我们分别按以下4种情形进行有限元模拟：(1) 以打浦路隧道B1区开挖为例，用数值模拟分析基坑的围护、支撑结构的受力分析。(2) 第一阶段为 B2区与A区（浦西工作井、暗埋段PX1～PX4、环卫北侧地下二层车库）基坑同步开挖。(3) 第二阶段为开挖完成后内部结构施工。(4) 最后按B3区基坑开挖，分析B3区开挖对已建成B2区结构、A区结构的影响。土层分布及性质见表1。
图1 土层分布及性质
B1区围护结构施工完成后，基坑分四层开挖，分析基坑开挖对支撑及围护结构的影响，监测点位置见图2(a)~(d)。开挖的过程为前两次开挖时，每次开挖深度为4米，开挖前先布置一道支撑。第三、四次开挖，每次开挖深度减为3米，开挖前先布置一道支撑。在各开挖阶段的有限元元计算中，分10步进行开挖。
图2(a) 施工分区示意图
图2(b) 支撑监测点位置布置图
图2(c) 围护墙顶部监测点位置布置图
图2(c) 围护墙内部监测点位置布置图
3. 1 有限元模型的建立
整体模型X-Y平面图、围护墙及支撑Y-Z平面图如图3（a）、（b）所示，模型结构尺寸与工程设计断面尺寸一致。土体为矩形的计算域。计算域远端及侧面边界约束X，Y两个方向，模型底部边界约束X，Y，Z三个方向。土体、围护和支撑结构均采用六面体缩减积分单元。基坑开挖过程如图4所示。
土体本构模型采用岩土工程中广泛应用的扩展Drucker-Prager模型[17]。围护结构及支撑相比于土体刚度大得多，相对变形小，因此围护结构及支撑采用线弹性本构。引入接触面模拟围护结构与土体在相互作用时发生的错动、滑移或张开等位移不连续现象。接触面的切向属性采用库伦线性摩擦本构理论，通过设置罚函数引入摩擦系数，法向采用硬接触方式。围护结构与支撑之间采用Tie约束固定。
图3(a) 基坑围护及支撑的模型X-Y平面图 图3(b) 围护墙及支撑Y-Z平面图
图4 基坑开挖过程
3. 2 不同开挖过程的有限元模拟分析
图5给出了围护墙及支撑随开挖、加设支撑的过程中的X方向轴应力变化情况。图6给出了围护墙及支撑随开挖、加设支撑的过程中X方向的位移。
(a) 第一次开挖(b) 第二次开挖
(c) 第三次开挖(d)第四次开挖
图5围护墙位移、支撑轴向应力比较
(a) 第一次开挖 (b)第二次开挖
(c) 第三次开挖(d)第四次开挖
图6 围护墙位移、支撑轴向应力比较
以观测点W3及W5为代表，将以上云图中的数据汇总于表2，对不同开挖过程中，围护墙位移及支撑轴向应力进行了比较。
表 2围护墙位移、支撑轴向应力比较
由表2可知，W3点随着开挖深度的增加，第一道支撑从受压状态变为受拉状态，受压时应力递减，受拉时应力递增。随着开挖深度的增加，围护墙顶部竖向位移基本不变，水平向位移递减，开挖到设计深度时，水平位移将出现负值，有反弯点出现；围护墙内部竖向位移保持逐步增大，水平位移明显增加，并在第四次开挖后出现最大位移。
W5点开挖深度到同样深度时，W5点受力小于W3点支护结构的轴向受力状态。随着开挖深度的进一步增加，第一道支撑从受压状态将变为受拉状态，受压时递减，受压时递增。随着开挖深度的增加，围护墙顶部竖向位移递减，水平向位移递减，开挖到设计深度时，水平位移将出现负值，反弯点出现；围护墙内部竖向位移呈现逐步增大的趋势，水平位移有明显增加，并在第四次开挖后出现最大位移，相比W3点同样开挖深度时，变形略小。
表3(a) X向位移、应力比较
表3(b) Y向位移、应力比较
表3(c) Z向位移、应力比较
通过以上分析，我们可以得到以下结论：
(1) 计算结果表明，圍护结构的变形以及支撑体系的应力符合规范要求，变形最大点容易出现在基坑中间位置，竖直方向的变形呈曲线形式，将在底部以下某个位置会出现反弯点。
(2) 新基坑的开挖对临近已施工完成的基坑影响较小，变形主要改变出现的竖直方向，将会有所减小；而应力对不同位置的已完成的基坑影响有所不同，不过都将有所减小。
(3) 在基坑支护中，要对受基坑影响明显的区域( 基坑底部和边缘) 给予重点支护，在开挖前对坑边采取坑加固等，有限元模拟可以给基坑开挖建设前提供有参考性的数据，可以在工程中加以利用。
参考文献
[1]. 刘健航. 基坑工程手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社, 1997.
[2]. 杨晓杰, 刘冬明, 张 帆, 等. 地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究[J]. 地下空间与工程学报, 2010, 6(3): 516-520.
[3]. 黄茂松, 廖俊展, 魏星. 软土应力各向异性及其对深基坑工程的影响[J]. 地下空间与工程学报, 2005, 1(4): 502-505.
[4]. 俞建霖, 龚晓南. 基坑工程变形性状研究[J]. 土木工程学报, 2002, 35(4): 86-90.
[5]. 曾剑锋, 黄德星. 浅析深基坑支护结构变形规律[M]. 广东科技, 2006, 2(5): 54-55.
[6]. 费康, 张建伟. ABAQUS在岩土工程中的应用[M]. 北京：中国水利水电出版社.