王瀟宇

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092

0 引言

隨著我國經濟發展速度和城市建設步伐的加快，城市對市政管線的需求也在不斷加大。近年來，國家陸續頒布相關政策，大力促進綜合管廊工程建設。

城市綜合管廊工程為一種淺埋型隧道工程，它將電力、通信、供水、燃氣等多種市政管線集中敷設并統一管理，其基坑多為寬度窄、開挖較深、縱向極長的狹長型基坑[1]，具有單次開挖面積小、施工周期短等特點，“空間效應”顯著。一般認為，狹長型基坑穩定性[2-3]更好，但受基坑寬度影響明顯。

基坑工程設計計算一般包括3個方面內容：穩定性驗算、支護結構強度設計和基坑變形計算[4]。現有規范推薦計算方法是基于半無限空間、經典土力學理論，未考慮狹長型基坑空間效應對坑內被動區土體強度的影響，造成設計時插入深度過大，引起較大浪費。

1 工程概況

擬建綜合管廊工程位于華東某市，為單倉支線型綜合管廊，納入電力、電信、給水管線。綜合管廊總長度約1 130 m，標準段高3.9 m、寬3.6 m、壁厚0.35 m、頂板覆土厚度2.95 m。

本工程綜合管廊位于現狀道路西側綠地中，管廊外壁距現狀道路路邊約5.0 m（圖1）。道路及人行橫道下方設有雨水、污水、配水、信息等多條市政管線。

受周邊現有管線、施工工期等影響，擬采用厚450 mm預制地下連續墻“兩墻合一”板式支護，即圍護墻兼作綜合管廊側墻，設計須同時考慮開挖工況和使用工況。

圖1 綜合管廊與道路位置關系（單位：m）

按地方規范，本工程基坑開挖深度6.6 m、基坑寬度2.9 m、基坑寬深比僅為0.44，基坑安全等級為一級。計算得：圍護墻須坑底以下插入長度10.70 m、圍護墻插入比為1.62、插入長度與基坑寬度的比為3.69；坑內設1道H型鋼水平內支撐，每幅墻設2根；頂部利用導墻兼作擋土墻，并在預制連續墻頂部預埋鋼板，其上焊扶壁工字鋼，形成板肋結構（圖2）。

圖2 綜合管廊基坑橫剖面示意

圍護墻位移、彎矩、剪力包絡圖及各項安全系數均采用啟明星FRWS軟件（版本號7.2）計算（圖3）。

圖3 圍護墻位移、彎矩、剪力包絡圖

通過圖2可直觀地發現，在滿足現行基坑規范要求的情況下，圍護墻坑底以下插入長度遠大于基坑寬度。綜合管廊基坑兩側的圍護墻將管廊下側的土體固定在有限的空間內，一側圍護墻位于另一側被動區土壓力滑動面（破壞面）內，起到抗滑移的作用；坑內土體處于有側限狀態，改變被動區土體的應力狀態。

現行基坑規范中，土壓力計算均是基于郎金土壓力理論，將計算剖面模型假定為半無限空間模型，視坑內無限大的區域均開挖至坑底，更適用于常規民用建筑基坑（基坑寬度遠大于基坑深度）。

針對本工程，坑底抗隆起（圓弧滑動）安全系數為控制性指標，計算中未考慮對側土體及圍護結構對坑底抗隆起（圓弧滑動）假定滑動面的影響。然而，本工程圍護墻坑底以下插入長度遠大于基坑寬度，實際開挖暴露的坑底非常有限，空間效應對計算結果有著不容忽視的影響。然而，根據規范計算的結果無法反映狹長型基坑的實際破壞情況，計算結果過于保守。若按此設計、施工，將造成極大的浪費。

2 有限元分析

針對這種情況，通過巖土工程有限元軟件建立數值模型，對實際工況模擬、分析，為施工現場開展試驗性研究做準備。

2.1 模型參數

本次計算采用硬化模型本構關系，即Harding-soil模型。

Harding-soil模型（簡稱HS模型）為等向硬化彈塑性模型，模型參數直觀明了，具有明確的物理意義，可通過普通三軸剪切和側限儀固結試驗獲得，便于工程應用。并且，HS模型在處理回彈（卸載）問題時引入了Eur模量，在模擬、分析開挖問題時具有獨特的優勢。本次計算中，土體采用硬化模型本構關系，鋼支撐采用線彈性本構模型，變形計算考慮流固耦合。

另外，采用摩爾-庫倫模型和強度折減法進行穩定性分析。

本工程模型長78 m、深30 m，對于管廊基坑開挖，可認為消除了邊界效應的影響。工況按如下考慮：初始模型、插入地下連續墻、降水至坑底、加坑外超載、挖土至第1道支撐底、施加第1道支撐、挖土至坑底（圖4）。

2.2 計算結果

通過有限元模型計算，當插入比大于等于0.5時，圍護墻水平位移、周邊最大沉降量幾乎沒變化（圖5、圖6）。

圖4 挖土至坑底工況有限元模型

圖5 圍護墻水平位移與插入比關系

圖6 周邊最大沉降量與插入比關系

本工程基坑為狹長型基坑，當插入比大于0.5時，插入深度與基坑寬度的比大于1，基坑一側圍護墻已位于基坑另一側圍護墻被動區土體朗金理論的被動區破壞面中，起到抗滑作用。繼續增加圍護墻的插入深度，已無法提供更大的被動區抗力，對圍護墻及周邊環境變形影響甚微。

圍護墻最大彎矩與插入比的關系與圍護墻水平位移、周邊最大沉降量與插入比的關系類似（圖7），當插入比大于等于0.5時，插入比變化對圍護墻最大彎矩影響不大；但是，當插入比等于0.8時，圍護墻最大彎矩達到峰值，繼續增加插入比，圍護墻最大彎矩反而減小[5-7]。

圖7 圍護墻最大彎矩與插入比關系

利用強度折減法分析插入比對基坑穩定性的影響，基坑安全系數與插入比近似呈線性關系（圖8），隨著插入比的增大，基坑安全系數增高。

根據該地區工程經驗，一般插入比不小于0.8。結合本工程狹長型基坑，將插入比定為0.8，開展現場試驗性應用。

圖8 強度折減法安全系數與插入比關系

3 結論

本工程管廊基坑為狹長型溝槽，按現有基坑規范計算，本工程基坑圍護墻插入比為1.39，插入長度與基坑寬度的比為3.17。若按此計算結果應用、實施，將引起較大浪費。

現行規范中，土壓力計算均采用基于半無限空間假定的郎金土壓力理論，將計算剖面視坑內無限大的區域均開挖至坑底，更適用于常規民用建筑基坑。

因此，有必要根據本工程實際情況，結合有限元軟件建立數值模型，進行模擬、分析，發現：

1）當插入比≥0.5時，圍護墻水平位移、周邊最大沉降量隨插入比增加小幅變化。基坑一側圍護墻已位于基坑另一側圍護墻被動區土體朗金理論的被動區破壞面中，起到抗滑作用。

2）當插入比≥0.5時，插入比的變化對圍護墻最大彎矩影響不大；但是，當插入比等于0.8時，圍護墻的最大彎矩達到了峰值，繼續增加插入比，圍護墻最大彎矩反而減小。

3）利用強度折減法分析插入比對基坑穩定性的影響，基坑安全系數與插入比近線性關系，隨著插入比的增大，基坑安全系數增高。