某地下綜合管廊深基坑鋼板樁支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算和分析

王 扉 吳旗悅步 黃立勇 岳文才

（1.廣東順德中心城區(qū)投資開發(fā)有限公司，廣東 佛山 528322；2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

地下綜合管廊在城市基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)方面越來越受到重視，僅2018年全國就有在建綜合管廊項目455個，總投資約4000億元。明挖基坑是地下綜合管廊施工比較常見的方式，地下綜合管廊明挖基坑一般為深基坑（基坑深度大于5m），屬于危險性超過一定規(guī)模的工程，基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計是保證基坑施工安全的重中之重。鋼板樁基坑支護為常見的基坑支護形式，具有施工便捷、可重復(fù)利用、經(jīng)濟效益高等特點。

因此，本文依托佛山市順德區(qū)某地下綜合管廊，對地下綜合管廊明挖基坑鋼板樁支護進行整體穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性、流土穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)抗彎性能、嵌固深度和土反力等方面進行計算，結(jié)合工程實際進行分析，對不同軟件的計算結(jié)果進行了比較。

1 工程概況與工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

佛山順德某K0+400~K0+452段地下綜合管廊全52m，劃分為3個節(jié)段；單倉結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸為4.9m×5.7m長，內(nèi)輪廓尺寸為3.8m×4.6m，頂板、底板及側(cè)墻厚度均為0.55m，基坑深度在9.04m~9.20m之間，基坑寬度7.7m。全段采用鋼板樁+鋼支撐支護體系，鋼板樁為IV型拉森鋼板樁，長度24m。鋼管支撐采用Φ 520×12，鋼管支撐水平中心間距為4m，鋼材采用Q235鋼。根據(jù)基坑深度和管廊結(jié)構(gòu)設(shè)置三道鋼支撐，第一道鋼支撐水平中心線在管廊坑頂標(biāo)高下0.5m處，第二道鋼支撐水平中心線在第一道鋼支撐下2.5m處，第三道鋼支撐水平中心線在第二道鋼支撐下2m處。基坑范圍內(nèi)有水泥攪拌樁加固，加固深度為3m。H500×300×11×18雙拼工字鋼腰梁。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場地位于珠江三角洲沖積平原腹地，沿線地形較為平整，整平后場地標(biāo)高為1.3m。根據(jù)本工程地質(zhì)勘探報告顯示，本場地地基土由人工填土層、第四系沖積層、第四系殘積層組成，基底巖石為早奧陶世混合花崗巖類風(fēng)化基巖，風(fēng)化基巖埋蔵深淺不一。工程地質(zhì)縱斷面共分主層7層，依次是：①填土層，②淤泥質(zhì)土層，③粉砂層，④中粗砂層，⑤粉質(zhì)黏性土層，⑥透鏡體亞層，⑦粉質(zhì)黏土層。最不利鉆孔各土層參數(shù)見表1。

表1 各土層參數(shù)表

根據(jù)本工程地質(zhì)勘查資料，本場地地下水主要分為上下兩層，上層為第四系沖積層的松散孔隙水，下層為基巖裂隙水。松散孔隙水含水層為第③層粉砂及第④層中粗砂，屬于中等甚至強透水性，場地分布范圍廣泛，且累計厚度較大，故水量豐富，初見水位埋深在0.5m~3.0m。

2 綜合管廊深基坑設(shè)計分析和優(yōu)化

2.1 單元計算

2.1.1 參數(shù)設(shè)定

使用理正深基坑7.0進行基坑單元計算，按照設(shè)計要求基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為二級，環(huán)境保護等級為三級。支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.0，基坑計算深度為9.2m，基坑外側(cè)水位深度取值為1m，基坑內(nèi)部降水為基坑底面下1m。基坑兩側(cè)有均布超載，取值為20kPa。基坑坑底加固取值見表2。整體計算方法為條分法，土條寬度取值為0.4m，剛度折減系數(shù)K取值為0.85，按設(shè)計要求開挖至每道支撐下方0.5m處后即進行圍檁和支撐安裝。

表2 人工加固土參數(shù)表

2.1.2 穩(wěn)定性計算

整體穩(wěn)定性方面：滑裂面圓弧半徑R為24.269m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks為1.305，大于1.30，滿足規(guī)范要求。

抗隆起穩(wěn)定性方面：如果按從支護底部開始，逐層驗算抗隆起穩(wěn)定性，Ks為2.866，大于1.60，抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；如果坑底抗隆起按以最下層支點為轉(zhuǎn)動軸心的圓弧條分法計算，Ks為2.29，大于1.90，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

流土穩(wěn)定性方面：根據(jù)基坑安全等級，Kf（流土穩(wěn)定性安全系數(shù)）取值1.50。現(xiàn)計算得到K值為4.07，大于1.50，滿足規(guī)范要求。

2.2 整體計算

使用理正深基坑7.0進行整體計算，計算場景為基坑開挖至坑底后。設(shè)三道Φ520×12鋼支撐和H500×300×11×18雙拼工字鋼腰梁。支撐橫向和縱向布置間距按照設(shè)計要求并采用全有限元方法計算，其余參數(shù)設(shè)定與單元計算一致。基坑整體最大位移和鋼板樁最大位移分別出現(xiàn)在第三道支撐上方和第三道支撐處，與單元計算結(jié)果趨勢接近，但是數(shù)值上面差異較大，整體位移最大值和鋼板樁位移（垂直基坑方向）均小于單元計算值。

3 比較和總結(jié)

理正深基坑計算結(jié)果與現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)基本符合，基坑監(jiān)測基坑頂部水平位移最大值為19.78mm，介于單元計算和整體計算結(jié)果之間。理正計算結(jié)果中最大彎矩主要是為了驗證支護結(jié)構(gòu)剛度，而這一內(nèi)容不在基坑監(jiān)測要求的范圍內(nèi)（監(jiān)測內(nèi)容主要有基坑頂部水平位移、基坑頂部豎向位移、深層水平位移、地下水位、周邊建筑物沉降、地下管線沉降、支撐內(nèi)力和周邊地表裂縫）。基坑監(jiān)測支撐內(nèi)力最大處發(fā)生在基坑開挖至設(shè)計底標(biāo)高時的第三道支撐處，結(jié)果整體上與理正結(jié)果相符，但是數(shù)值上均大于單元計算和整體計算的輸出，主要原因在于：理正采用的空間土抗力法無法考慮周邊建筑荷載與施工荷載對基坑的影響，因為不能設(shè)置土單元，也無法添加周邊荷載。由此可以得出結(jié)論，理正單元計算和整體計算在管廊基坑鋼板樁支護設(shè)計中可以作為計算軟件使用。

4 結(jié)語

理正單元計算和整體計算的區(qū)別和各自的優(yōu)缺點主要有：

（1）兩者的研究對象及研究方法不同，單元計算參照經(jīng)典方法和彈性方法，以單樁或單位寬度的基坑支護結(jié)構(gòu)（排樁或者地連墻）為研究對象進行分析。而整體計算則采用有限元方法，本次分析采用以整個基坑體為研究對象的全有限元分析。此外整體計算還可以采用以整個基坑支護結(jié)構(gòu)為研究對象的支護結(jié)構(gòu)分析。單元計算結(jié)果接近公式法計算，更為直觀易懂，且計算過程快速，更適用于基坑支護設(shè)計階段。

（2）兩種計算考慮的因素不同。支撐結(jié)構(gòu)的剛度不僅與本身有關(guān)，也與周圍桿件和邊界條件有關(guān)，因為單元計算方式不能考慮周圍桿件對其剛度的影響，所以在單元計算中不容易確定支撐結(jié)構(gòu)的剛度。同時，單元計算也無法將基坑變形的影響納入其中，因為在不同工況下發(fā)生變形后，支撐結(jié)構(gòu)的剛度是隨施工過程不斷變化的。整體計算中，可考慮周圍支護構(gòu)件、內(nèi)撐構(gòu)件、施工工況變化對基坑支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變的影響。周圍環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)復(fù)雜或者施工過程受力情況變化較大的情況，采用整體計算的方式可充分考慮上述因素影響，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）兩者計算結(jié)果不同。單元計算和整體計算都可以輸出支護構(gòu)件位移和內(nèi)力等結(jié)果，但是單元計算無法輸出無內(nèi)撐結(jié)構(gòu)的結(jié)果，而整體計算無法輸出錨索（桿）及穩(wěn)定驗算的結(jié)果。在基坑支護體系中需要進行錨索（桿）設(shè)計時，采用單元計算進行試算是一種較為簡便快捷的方法。

由于理正使用的是空間土抗力法，空間的土抗力法所依據(jù)的是庫倫剪切破壞公式，一種線性破壞分析，且理正的假設(shè)前提是將土考慮為土彈簧。所以，在進一步研究中可以嘗試使用MI?DAS/GTS、ANSYS或者OYSERSAFE等非線性的有限元方法進行模型計算及驗證。