高邊坡下綜合管廊深基坑內(nèi)支撐優(yōu)化分析

翟小軍

(中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710054)

為提高城市綜合承載能力，美化城市空間，國(guó)內(nèi)許多城市陸續(xù)規(guī)劃修建地下綜合管廊，用于鋪設(shè)市政公用管線。地下綜合管廊施工方法主要有明挖法和暗挖法。其中明挖是較常采用的施工方法，因城市地下綜合管廊線路較長(zhǎng)，開(kāi)挖時(shí)常會(huì)遇到各種復(fù)雜的施工條件，當(dāng)基坑一側(cè)存在既有高邊坡或建筑物時(shí)，偏載效應(yīng)會(huì)對(duì)基坑穩(wěn)定性造成一定影響[1]。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，王啟云等以鄰近高邊坡的深基坑工程為背景，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)基坑及周邊環(huán)境變形發(fā)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，研究高邊坡對(duì)基坑的影響規(guī)律，預(yù)測(cè)基坑變形趨勢(shì)[2-5]；雷用等通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究既有高邊坡對(duì)深基坑的影響[6-7]；黃承忠以62 m高邊坡下的15 m深基坑開(kāi)挖工程為依托，結(jié)合規(guī)范、數(shù)值模擬和工程類比法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和效果評(píng)價(jià)[8]；吳俊基于某深基坑開(kāi)挖工程，研究“圍護(hù)樁+微型鋼管樁+臨時(shí)錨噴網(wǎng)”的支護(hù)方案[9]。盡管關(guān)于既有高邊坡下深基坑的相關(guān)研究報(bào)道不少，但與工民建基坑不同，綜合管廊開(kāi)挖的基坑多呈“狹長(zhǎng)”狀，其支擋結(jié)構(gòu)無(wú)法四面閉合，易受到兩側(cè)不平衡土壓力的作用而影響基坑穩(wěn)定性[10-11]。關(guān)于地下綜合管廊內(nèi)支撐的優(yōu)化方面，喬穩(wěn)超等依托于實(shí)際案例工程，通過(guò)對(duì)內(nèi)支撐平面、豎向優(yōu)化比較，提出內(nèi)支撐優(yōu)化方案，一定程度上提高了經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益[12-13]。

以下基于既有高邊坡下綜合管廊基坑實(shí)例，為減少基坑安全隱患，解決原支護(hù)方案中鋼筋混凝土內(nèi)支撐拆除工序繁瑣且成本高等問(wèn)題[14-15]，采用有限元的方法模擬計(jì)算管廊基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊地表變形情況，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證內(nèi)支撐優(yōu)化的合理性。

1 案例工程概況

1.1 案例工程背景

平潭地下綜合管廊工程總長(zhǎng)約22.577 km，里程號(hào)為GA0+00～GA22+576.988。選取1標(biāo)段GA1+180～GA1+480(300 m)區(qū)間進(jìn)行研究，該段基坑寬12.7 m，設(shè)計(jì)深度為8～9 m。基坑北側(cè)為既有環(huán)島路，南側(cè)為既有高邊坡，坡高為10～20 m，斜坡坡度為45°～55°；沿線分布有通訊、供電、供水等地下管線。

1.2 地質(zhì)概述

區(qū)間段基坑主要穿越素填土，砂土狀、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。工程地質(zhì)剖面如圖1所示。

該區(qū)段內(nèi)地下水類型為基巖裂隙水，地下水總體由高處殘丘坡地向殘丘間凹地方向滲流排泄，水位埋深為1.2～3.2 m。

圖1 工程地質(zhì)剖面(高程單位：m)

1.3 原基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

該管廊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“φ800 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁+1道內(nèi)支撐”形式。其中，灌注樁樁長(zhǎng)13.7 m(樁端嵌入中風(fēng)化層不少于2 m且進(jìn)入坑底不少于5 m)，掛φ8 mm@200×200 mm鋼筋網(wǎng)，噴射100 mm厚的C20混凝土護(hù)面，樁頂冠梁斷面尺寸為1 000 mm×800 mm；冠梁處設(shè)置1道800 mm×800 mm@8 000 mm的鋼筋混凝土撐。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖2。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(單位：mm)

2 內(nèi)支撐優(yōu)化方案

本次研究的深基坑與工業(yè)與民用建筑常出現(xiàn)的大面積方形或圓形基坑不同，管廊基坑呈“窄長(zhǎng)”形，其支護(hù)結(jié)構(gòu)體系沿縱向無(wú)法閉合。因此，當(dāng)基坑一側(cè)出現(xiàn)高邊坡時(shí)，若不盡快封閉回填，土體的偏壓作用將會(huì)對(duì)基坑的穩(wěn)定性造成不利影響。原支護(hù)方案中，內(nèi)支撐設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，不僅澆筑速度慢，后期的破除也會(huì)降低施工效率，增加了施工成本。鑒于鋼支撐架設(shè)靈活和可重復(fù)利用等特點(diǎn)，提出將原設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土撐替換為φ609 mm(t=12 mm)@4 000 mm鋼管撐。

3 內(nèi)支撐優(yōu)化分析

3.1 有限元模型

借助PLAXIS 3D有限元軟件，構(gòu)建鄰坡深基坑開(kāi)挖支護(hù)模型，模型總尺寸為長(zhǎng)(y)×寬(x)×高(z)=67 m×12 m×40 m。模型的邊界條件為：四周法向約束，底部固定約束，頂面不設(shè)約束。土體網(wǎng)格劃分采用10節(jié)點(diǎn)高階四面體單元，共劃分13 127個(gè)單元，22 464個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)土體性質(zhì)和深度的不同，采用不同的材料本構(gòu)模型：表層素填土和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖采用理想彈塑性模型(MC)，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層采用小應(yīng)變土體硬化模型(HSS)。基坑開(kāi)挖支護(hù)三維數(shù)值模型如圖3所示。

圖3 基坑開(kāi)挖支護(hù)三維數(shù)值模型

各土層物理參數(shù)綜合地勘報(bào)告、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)得出(見(jiàn)表1)，參數(shù)包括：重度γ、楊氏模量E、泊松比v、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬工況

圍護(hù)樁施工開(kāi)挖至-1.0 m，記為CS1；施作內(nèi)支撐，記為CS2；開(kāi)挖至-6.0 m，記為CS3；開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度，記為CS4。

3.3 計(jì)算分析

將優(yōu)化前、后模型分別記為Model-1和Model-2。

(1)支護(hù)樁側(cè)移分析

Model-1和Model-2方案下支護(hù)樁側(cè)移極值見(jiàn)表3。

表3 支護(hù)樁側(cè)移極值 mm

由表3可知，基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度，支護(hù)樁側(cè)移極值原設(shè)計(jì)為8.53 mm，優(yōu)化后為9.80 mm，即改用鋼支撐替換鋼筋混凝土支撐后，圍護(hù)墻最大水平側(cè)移增長(zhǎng)14.9%，不過(guò)變形量總體上都比較小。還可以看出，鄰路基側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移量明顯低于鄰邊坡側(cè)，基坑開(kāi)挖到底時(shí)，原設(shè)計(jì)鄰路基側(cè)圍護(hù)墻最大側(cè)移為3.15 mm，大大低于鄰邊坡側(cè)的最大側(cè)移(-8.53 mm)，說(shuō)明鄰邊坡側(cè)偏載效應(yīng)對(duì)圍護(hù)墻側(cè)移影響顯著。

優(yōu)化前后圍護(hù)墻水平位移分布如圖4所示。

圖4 基坑開(kāi)挖到底時(shí)圍護(hù)墻水平位移

從圖4可以看出，鋼筋混凝土撐變更為鋼管撐后，圍護(hù)墻水平位移極值基本不變，墻體側(cè)移形態(tài)也基本一致。圍護(hù)墻側(cè)移形態(tài)近似呈拋物線形，由于內(nèi)支撐的限制作用，圍護(hù)墻最大水平位移發(fā)生在基坑偏下部位。

(2)周邊地表沉降分析

優(yōu)化前后支護(hù)方案模型各施工階段周邊地表沉降極值如表4所示。

表4 地表豎向位移極值 mm

由表4可知，鋼筋混凝土撐變更為鋼管撐后，地表沉降極值略有增加，基坑開(kāi)挖到底后，盡管地表沉降極值從原設(shè)計(jì)的-4.14 mm增大到-5.20 mm，但沉降量值總體上仍然較小。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案(Model-2)隨基坑開(kāi)挖過(guò)程的地表沉降分布見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案鄰坡基坑豎向位移云圖(Model-2)

從圖5可以看出，隨基坑開(kāi)挖深度增大，地表沉降逐漸增加，不論是采用鋼筋混凝土支撐還是鋼支撐，地表沉降極值都出現(xiàn)在鄰坡一側(cè)緊鄰圍護(hù)墻的部位，斜坡偏載效應(yīng)顯著。

(3) 支撐內(nèi)力結(jié)果分析

Model-1和Model-2方案下支撐內(nèi)力最大值如表5所示。

表5 支撐內(nèi)力極值

從表5可以看出，支撐內(nèi)力隨著基坑開(kāi)挖深度增加而逐漸增大，不論采用何種支撐，內(nèi)支撐在基坑開(kāi)挖過(guò)程中始終處于受壓狀態(tài)(軸力以受拉為正)。結(jié)合2種方案下的支撐軸力可以發(fā)現(xiàn)，縮短內(nèi)支撐間距，支撐軸力會(huì)有所減小，待開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度，支撐軸力的降幅在9.3%左右。根據(jù)表5，Model-1和Model-2中鋼支撐所受的最大軸力為-1 205 kN，支撐所受的最大彎矩為92.97 kN·m/m，按受壓、受彎復(fù)合受力構(gòu)件核算鋼管的截面強(qiáng)度，可得鋼支撐截面最大應(yīng)力為81.8 MPa(φ609,t=12 mm)的Q235鋼管的抗拉、抗壓和抗彎截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa>81.8 MPa，故截面強(qiáng)度滿足要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取GA1+220～GA1+260區(qū)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，監(jiān)測(cè)平面如圖6所示。

圖6 測(cè)點(diǎn)平面示意

4.1 圍護(hù)墻側(cè)移實(shí)測(cè)分析

CX1、CX2的圍護(hù)樁側(cè)移曲線如圖7所示。

圖7 支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測(cè)曲線(以向坑內(nèi)移動(dòng)為正)

從圖7可知，圍護(hù)墻側(cè)移隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而增大，在開(kāi)挖至一定深度后，側(cè)移形態(tài)呈近似“△”，但在支護(hù)樁1/3以上部分的變化情況差異較大。鄰斜坡側(cè)(南側(cè))主要表現(xiàn)為土體朝坑內(nèi)移動(dòng)，而鄰路基側(cè)(北側(cè))恰恰相反，這是因?yàn)槭艿叫逼聜?cè)偏載效應(yīng)的影響。南側(cè)的側(cè)移量大于北側(cè)，累計(jì)最大側(cè)移為10.32 mm，出現(xiàn)在樁身-4～-6 m之間；鄰路基側(cè)的最大側(cè)移量為4.25 mm(不到南側(cè)側(cè)移極值的1/2)，說(shuō)明鄰邊坡側(cè)偏載效應(yīng)對(duì)圍護(hù)墻側(cè)移影響較大。

本書(shū)作者說(shuō)書(shū)人·慶太郎企圖呈現(xiàn)的，就是找回這種單純的、從日常生活中找到“樂(lè)趣”的能力。同時(shí)，也是創(chuàng)作本書(shū)最大的動(dòng)機(jī)——平凡中俯拾即是的樂(lè)趣。作者為了本書(shū)，曾前往日本的上野動(dòng)物園進(jìn)行實(shí)地測(cè)量，體驗(yàn)為長(zhǎng)頸鹿量身高、為大象量體重；甚至也發(fā)生為無(wú)尾熊量身高，好不容易把無(wú)尾熊放上身高計(jì)，無(wú)尾熊卻睡著了這樣令人印象深刻的事情。這些過(guò)程中發(fā)生的趣事和點(diǎn)點(diǎn)滴滴，便匯聚成《動(dòng)物量身高》《動(dòng)物量體重》。

4.2 地表沉降實(shí)測(cè)分析

地表沉降隨距離變化曲線如圖8所示。

圖8 地表沉降隨距離變化曲線

由圖8可知，地表沉降值與基坑開(kāi)挖進(jìn)程呈正相關(guān)，累計(jì)最大沉降出現(xiàn)在鄰邊坡一側(cè)，極值為5.7 mm，發(fā)生在距坑邊3～6 m范圍內(nèi)；從圖8(b)還可以看出，鄰路基一側(cè)緊鄰圍護(hù)墻的地層出現(xiàn)略微隆起，當(dāng)距離增大至15 m左右時(shí)，基坑對(duì)地層的影響逐漸減小。因此，待基坑開(kāi)挖到底后，基坑北側(cè)的地表沉降形態(tài)呈現(xiàn)出近似“漏斗”的形狀。由此可見(jiàn)，基坑同一監(jiān)測(cè)斷面南北兩側(cè)的沉降形態(tài)具有如此差異，正是因?yàn)槭艿洁徑哌吰缕d的影響。

地表沉降隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

圖9 地表沉降隨時(shí)間變化曲線

由圖9可以看出，基坑南側(cè)的沉降速率與基坑開(kāi)挖深度呈正相關(guān)，待開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度后逐漸穩(wěn)定；基坑北側(cè)靠近基坑一側(cè)的地表出現(xiàn)隆起，極值為2.1 mm。總體上，南側(cè)的累計(jì)沉降均較北側(cè)大，可見(jiàn)基坑南側(cè)現(xiàn)狀高邊坡的偏壓荷載對(duì)地表沉降的影響較大。

5 結(jié)論及建議

針對(duì)平潭某區(qū)間段既有高邊坡下管廊深基坑支護(hù)體系優(yōu)化設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。通過(guò)建立三維數(shù)值模型模擬基坑施工過(guò)程，計(jì)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的響應(yīng)情況，主要得出以下結(jié)論。

(2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，管廊基坑支護(hù)樁深層水平位移形態(tài)主要呈近似“△”，最大位移出現(xiàn)在鄰近高邊坡一側(cè)，累計(jì)最大值為10.32 mm，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相近；坑外地表沉降極值為5.7 mm，鄰邊坡側(cè)的沉降值均較鄰路基側(cè)大，受既有高邊坡偏載效應(yīng)影響顯著。總的來(lái)說(shuō)，綜合管廊基坑安全穩(wěn)定，優(yōu)化后的內(nèi)支撐設(shè)計(jì)合理。

(3)工程實(shí)踐表明，將地下綜合管廊基坑的內(nèi)支撐優(yōu)化為鋼管支撐，成功縮短工期近20 d，且鋼管撐可以重復(fù)利用，故經(jīng)濟(jì)效益較高。