鄰近基坑開挖對(duì)既有綜合管廊變形影響研究★

張 景 生

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

目前，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，在新城建設(shè)和舊城改造中，通過修建城市地下綜合管廊這一科學(xué)方法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一建設(shè)和統(tǒng)一管理。其重要性不言而喻[1,2]。

管廊多處于城市比較繁華的地段，一旦發(fā)生故障或破壞都將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并引發(fā)各種次生災(zāi)害[3]。當(dāng)管廊周邊有大型地下工程施工時(shí)，將不可避免的對(duì)管廊周邊土體豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力造成影響，進(jìn)而容易造成管廊的差異性沉降[4,5]。差異性沉降可能使得管廊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂，進(jìn)而影響到管廊的防水。而對(duì)于地下管廊的建設(shè)和正常運(yùn)行來說，管廊的防水是重中之重。因此，在建成的管廊附近進(jìn)行諸如基坑開挖等地下工程時(shí)，必須考慮其對(duì)管廊的影響。

一般來說，基坑的開挖破壞了基坑附近土體的應(yīng)力平衡，使土體發(fā)生位移，促使地下管廊周圍的土體向基坑方向發(fā)生水平位移；同時(shí)基坑開挖會(huì)引起管廊地基發(fā)生差異性的垂直位移[6]。當(dāng)綜合管廊的差異性位移達(dá)到極限控制時(shí)，管廊結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生裂縫，影響其正常使用。因此，分析基坑開挖對(duì)鄰近綜合管廊的變形影響具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

目前關(guān)于基坑開挖對(duì)鄰近地下結(jié)構(gòu)的影響的相關(guān)研究主要集中在對(duì)鄰近管線的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)上。例如，姜崢[7]從理論方面分析了基坑開挖時(shí)單側(cè)土體縱向變形的經(jīng)驗(yàn)公式，建立了彈性地基梁微分方程，給出了鄰近管線變形和內(nèi)力的解析解。由于管廊結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)施荷載作用不可忽略，使得土洞周側(cè)應(yīng)力場(chǎng)及其復(fù)雜，不能采用理論方法分析。隨著巖土工程數(shù)值計(jì)算的發(fā)展和應(yīng)用，各類數(shù)值模擬方法(如ANSYS,MIDAS等有限元方法；UDEC,PFC等離散元方法；FLAC,FLAC3D等有限差分方法)均已廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)背景的巖土工程問題中，基坑開挖引起的鄰近土體應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)更加容易分析[8-10]。例如，劉志新[11]通過三維數(shù)值模擬分析了地鐵車站設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)的基坑開挖對(duì)鄰近污水管線影響，通過敏感性分析得到了影響管線位移的主要因素。蔡建鵬等[12]從基坑變形統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)曲線出發(fā)，提出了基坑開挖對(duì)鄰近地下管線影響分析的DCFEM法，并對(duì)不同工況下基坑開挖對(duì)鄰近地下管線變形和受力的影響進(jìn)行了研究。

大量的研究成果為鄰近管隧的開挖工程提供了依據(jù)，但這些針對(duì)管線穩(wěn)定性的分析結(jié)果如果要應(yīng)用到綜合管廊問題中還存在著一些不足。例如：目前對(duì)管線的影響規(guī)律分析以地基失穩(wěn)或管線縱向較大的差異性沉降引起的管線破壞作為判定標(biāo)準(zhǔn)，而由于地下綜合管廊結(jié)構(gòu)的特殊性，往往忽略管廊結(jié)構(gòu)橫截面差異性沉降引起的開裂問題。另外，相比于其他管線工程，綜合管廊艙體截面復(fù)雜，尺寸較大，對(duì)防滲要求高，結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部設(shè)施荷載作用不可忽略，使得理論研究更為復(fù)雜。

本文以漢中市漢寧路中段已建地下綜合管廊為背景，采用MIDAS有限元軟件對(duì)管廊一側(cè)基坑開挖時(shí)開挖深度、基坑分布位置等因素對(duì)管廊的變形影響進(jìn)行分析，得到各因素對(duì)管廊變形的影響規(guī)律并且給出該場(chǎng)地條件下保證管廊安全的各個(gè)影響因素的范圍。研究結(jié)果可為類似工程提供參考，并且為已有管廊兩側(cè)的基坑設(shè)計(jì)提供一定的分析方法。

1 工程背景

漢寧路地下綜合管廊采用兩艙形式斷面，管廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年。由于該綜合管廊所面臨的城市建筑環(huán)境差異較大，對(duì)于已建成的地下綜合管廊，將會(huì)多次出現(xiàn)沿線進(jìn)行建筑基坑開挖的情況，如圖1所示。

表1 各土層的物理及水力特性指標(biāo)

地下綜合管廊采用兩艙形式斷面，分別為管道艙和電力艙，管道艙尺寸B×H=1.9 m×2.6 m，電力艙尺寸B×H=2.2 m×2.6 m，綜合管廊長(zhǎng)2.788 km。埋深(即管廊頂部距地表面)約2 m。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 假設(shè)條件

1)基坑開挖會(huì)對(duì)管廊延伸方向(縱向)產(chǎn)生影響。由于管廊可近似看作平面應(yīng)變問題，且沿縱向設(shè)有變形縫，可適當(dāng)?shù)窒痪鶆虺两怠橛?jì)算方便，采取最不利情況，假定在平截面內(nèi)，管廊單側(cè)開挖時(shí)，分析管廊底部?jī)蓚?cè)的沉降差。

2)雖然管廊出艙口橫截面與標(biāo)準(zhǔn)截面差異較大，但各出艙口間距較大，約20 m設(shè)置一個(gè)，因此在計(jì)算時(shí)不考慮出艙口的影響，管廊界面按矩形設(shè)置。

3)基坑開挖過程及開挖順序會(huì)對(duì)管廊周圍土體的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)產(chǎn)生影響，但一般開挖施工過程并不是很快，可以認(rèn)為周圍土體基本處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，計(jì)算時(shí)不考慮施工過程，假定其為一次性形成的。

4)管廊位于粉土和中砂層內(nèi)，其基底位于中砂層上。由于中砂孔隙大，承受較大附加荷載時(shí)可能出現(xiàn)減脹現(xiàn)象。但是，在數(shù)值模擬分析時(shí)，認(rèn)為管廊底部土體未處于彈塑性變形階段，對(duì)于中砂可按彈性模型設(shè)置。

5)管廊為明挖施工，上部土體為后期回填土，與原土層有差異，但為方便計(jì)算，在建模時(shí)將頂部土層仍然設(shè)置為原土層特性。

6)將管廊結(jié)構(gòu)和內(nèi)部設(shè)施重力等效于均布荷載，作用在地基土上。

7)計(jì)算時(shí)假定管廊與土體為光滑接觸。諸如管廊上部車輛等外荷載、上部降雨、周圍環(huán)境排水、管廊底部墊層等因素很難分析，在本文中不做研究。

2.2 計(jì)算模型

圖2為計(jì)算模型示意圖，圖2a)和圖2b)分別為無支撐較淺基坑和含支撐的較深基坑模型。如圖2a)所示，模型中地層分為四層，場(chǎng)地土層厚度、管廊尺寸及埋深均與實(shí)際工程一致。土層參數(shù)設(shè)置如表1所示。在MIDAS中，四種土層均取摩爾—庫侖強(qiáng)度模型。由于基坑寬度對(duì)管廊基礎(chǔ)影響不大，因此，假定基坑開挖寬度保持恒定，建模時(shí)取為8 m；基坑一側(cè)距離管廊最近水平距離為L(zhǎng)；基坑開挖深度，即基坑底部距離地表的垂直距離表示為H。

為保證計(jì)算精度，減小邊界的影響，取模型計(jì)算范圍為管廊左側(cè)和基坑右側(cè)各取管廊寬度的3倍尺寸。模型的底部為完全約束；計(jì)算區(qū)域內(nèi)頂部是完全自由的；水平位移固定在模型的四周邊界面上，垂直方向自由。管廊及設(shè)施等效荷載以均布載荷的形式作用在管廊底部。根據(jù)管廊結(jié)構(gòu)特征和內(nèi)部設(shè)施情況，等效荷載p在計(jì)算時(shí)取為p=120 kN/m。

對(duì)于較深基坑，必須采用支護(hù)結(jié)構(gòu)才能保證兩側(cè)邊坡安全，因此對(duì)于開挖深度在4 m以上的基坑計(jì)算時(shí)考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)。如圖2b)所示，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用C30鋼筋混凝土，厚度0.6 m；鋼筋混凝土支撐桿尺寸為0.8 m×0.8 m，跨度為10 m，設(shè)置在-2 m和-6 m。

計(jì)算時(shí)，采用8結(jié)點(diǎn)實(shí)體Solid45單元進(jìn)行土體模擬；4節(jié)點(diǎn)殼單元Shell63，模擬管廊結(jié)構(gòu)；采用組合式彈簧單元對(duì)鋼筋混凝土支承梁進(jìn)行模擬，其剛度、彈性模量，支承梁的截面面積，支承計(jì)算長(zhǎng)度等參數(shù)由相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13]確定。

2.3 安全控制指標(biāo)的選取

基坑開挖是一個(gè)卸載過程，就開挖區(qū)域而言，由于基坑開挖使得管廊側(cè)向壓力減小，管廊結(jié)構(gòu)在水平方向?qū)⒊惺芡屏ψ饔茫秽徑右粋?cè)上覆壓力減小，土體可能出現(xiàn)卸荷回彈，即隆起現(xiàn)象。就管廊橫截面方向來看，局部上覆荷載減小，會(huì)使得管廊結(jié)構(gòu)在橫截面方向上出現(xiàn)差異沉降。因此，本文在計(jì)算時(shí)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)管廊橫截面底部?jī)蓚?cè)兩點(diǎn)A和B(分別為遠(yuǎn)、近開挖端)的位移。另外，在計(jì)算分析時(shí)，當(dāng)應(yīng)力、位移發(fā)生突變異常或計(jì)算不收斂時(shí)，可以認(rèn)為管廊周圍土體極限狀態(tài)。此狀態(tài)下基坑邊坡產(chǎn)生破壞。

從正常使用狀態(tài)進(jìn)行控制，將地基不均勻沉降作為安全控制指標(biāo)。根據(jù)GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范[14]中對(duì)管廊防滲的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合實(shí)際工程具體數(shù)據(jù)，可將本工程中管廊斷面的地基傾斜限制只設(shè)定為1‰。

3 結(jié)果分析

3.1 基坑開挖深度的影響分析

首先，分析最不利的基坑開挖位置。根據(jù)GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范中對(duì)于相鄰地下構(gòu)筑物的最小凈距的相關(guān)規(guī)定，基坑與管廊的最小距離H=1 m。另外，根據(jù)依托工程的場(chǎng)地情況計(jì)算得出，在該場(chǎng)地進(jìn)行開挖時(shí)，開挖深度為4.2 m內(nèi)，基坑兩側(cè)邊坡保持穩(wěn)定，可以不做結(jié)構(gòu)性支撐。故按圖2a)無支護(hù)情形，取L=1 m建立模型。此時(shí)，基坑開挖深度(H)成為影響到管廊基礎(chǔ)差異性沉降的主要因素。因此，分別對(duì)于不同開挖深度的情形進(jìn)行計(jì)算。開挖深度H從0.5 m開始計(jì)算，并按0.5 m增量逐漸增大，H最大取值為4 m，小于無支撐情況時(shí)的開挖深度限值。

計(jì)算時(shí)，對(duì)于A,B兩點(diǎn)的位移和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，左側(cè)A點(diǎn)位移記為U1，右側(cè)B點(diǎn)的位移記為U2，并計(jì)算兩點(diǎn)間位移差，若大于傾斜限制為1‰，則認(rèn)為管廊由于基礎(chǔ)過大的不均勻沉降而影響正常使用。

數(shù)值計(jì)算所得的部分工況下的豎向位移云圖和豎向應(yīng)力云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，開挖深度增加時(shí)，管廊底部應(yīng)力和位移逐漸增大，即基坑開挖(H)越深，變形越大。兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的沉降差增大。將L=1 m時(shí)各個(gè)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得到表2。

表2 無支撐條件下的計(jì)算結(jié)果(L=1 m)

如表2所示，當(dāng)H逐漸增大時(shí)，U1和U2的值都逐漸增大，但U1的變化相對(duì)U2較小。H影響著管廊豎向位移以及管廊結(jié)構(gòu)的傾斜值，且隨開挖深度H的逐漸增大，傾斜值逐漸增加，即管廊兩側(cè)差異性沉降逐漸增大。

當(dāng)H=0.5 m逐漸增大至1.5 m時(shí)，計(jì)算得到的管廊基礎(chǔ)傾斜值均小于1‰，滿足要求，認(rèn)為此工況安全，即基坑開挖對(duì)管廊結(jié)構(gòu)的影響可以不考慮。將H增大至2 m，管廊基礎(chǔ)傾斜值增加至1.1‰，超過傾斜限值。因此，對(duì)于距離L=1 m的基坑開挖，深度超過2 m時(shí)，會(huì)對(duì)綜合管廊產(chǎn)生較大影響。也就是說L=1 m對(duì)應(yīng)的最大開挖深度在1.5 m～2 m之間。

3.2 基坑與管廊距離的影響分析

為了研究基坑與管廊距離L對(duì)管廊基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響，分別建立不同L和不同H的計(jì)算模型，針對(duì)L逐漸增大和開挖深度逐漸增大的各個(gè)工況下管廊基礎(chǔ)底部?jī)蓚?cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降差以及傾斜值。計(jì)算結(jié)果如圖4所示。圖4中虛線為管廊地基傾斜值的限制值(1‰)。

如圖4所示，各曲線變化規(guī)律比較相近。對(duì)于同一個(gè)基坑位置(L一定)，管廊基底傾斜值隨開挖深度呈非線性增長(zhǎng)。相比而言，當(dāng)L越小時(shí)，管廊差異性沉降對(duì)于開挖深度最為敏感。同一開挖深度，基坑在水平方向越偏離管廊，則其較淺開挖對(duì)地基管廊傾斜值影響越小；而開挖深度逐漸接近管廊埋深時(shí)，開挖對(duì)地基管廊傾斜值影響較大。

另外，如圖4所示，虛線為保障管廊地基安全的傾斜值限值線，該線與各曲線的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為選定水平距離的基坑開挖時(shí)保證管廊基礎(chǔ)安全的最大開挖深度。

3.3 基坑開挖橫向支撐的影響分析

若基坑開挖深度較大，在開挖過程中會(huì)對(duì)基坑進(jìn)行結(jié)構(gòu)性支撐。本小節(jié)針對(duì)簡(jiǎn)單橫向支撐情況下的基坑開挖對(duì)管廊地基的影響進(jìn)行分析。數(shù)值計(jì)算模型如圖2b)所示，隨開挖深度的增加，每隔2 m設(shè)置一道橫向支撐。同樣地，對(duì)于L=1.0 m，不同的H對(duì)應(yīng)的工況進(jìn)行建模計(jì)算，可得到各個(gè)工況的位移計(jì)算云圖、應(yīng)力計(jì)算云圖以及各工況下U1,U2和傾斜值的結(jié)果。

圖5為2 m處設(shè)置一道橫向支撐，開挖深度為3 m工況下的豎向位移云圖和豎向應(yīng)力云圖。對(duì)比沒有支撐工況，即圖3c)和圖3d)，可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)有橫向支撐時(shí)，管廊周側(cè)的應(yīng)力分布更為均衡；管廊底部整體的豎向位移均有所減小，并且管廊兩側(cè)的差異性沉降明顯減小。

將L=1 m，設(shè)有支撐時(shí)各個(gè)工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理，得到表3。

表3 有支撐工況下的計(jì)算結(jié)果(L=1 m)

對(duì)比表2和表3可以明顯地看出，在設(shè)有支撐情況下，隨著基坑開挖深度的增加，管廊底部?jī)蓚?cè)沉降值均有適當(dāng)增大，但增大速度明顯較無支撐時(shí)緩慢，且差異性沉降值也較無支撐時(shí)明顯減小。對(duì)于開挖0.5 m～5 m各工況下所對(duì)應(yīng)的綜合管廊地基傾斜值均小于限值1‰，可以說明基坑開挖不會(huì)影響綜合管廊的正常使用。

4 結(jié)語

本文以通過數(shù)值模擬分析了基坑開挖對(duì)鄰近綜合管廊安全穩(wěn)定的影響。得到了基坑與管廊間距、基坑開挖深度以及基坑支護(hù)等因素對(duì)管廊基礎(chǔ)差異性沉降的影響規(guī)律。主要結(jié)論有：

1)基坑開挖深度H影響著管廊豎向位移以及管廊結(jié)構(gòu)的傾斜值，且隨開挖深度H的逐漸增大，傾斜值逐漸增加，即管廊兩側(cè)差異性沉降逐漸增大。本文依托工程背景下，基坑最不利位置(L=1 m)對(duì)應(yīng)的最大開挖深度在1.5 m～2 m之間。

2)相比而言，當(dāng)L越小時(shí)，管廊差異性沉降對(duì)于開挖深度越為敏感。同一開挖深度，基坑在水平方向越偏離管廊，則其較淺開挖對(duì)地基管廊傾斜值影響越小；而開挖深度逐漸接近管廊埋深時(shí)，開挖對(duì)地基管廊傾斜值影響較大。

3)在設(shè)有支撐情況下，隨著基坑開挖深度的增加，管廊底部?jī)蓚?cè)沉降值均有適當(dāng)增大，但增大速度明顯較無支撐時(shí)緩慢，且差異性沉降值也較無支撐時(shí)明顯減小。因此，在鄰近綜合管廊的基坑開挖過程中一定要及時(shí)做好結(jié)構(gòu)性支撐，對(duì)保證基坑安全和減小對(duì)綜合管廊的影響意義重大。