地下綜合管廊變支護(hù)體系區(qū)間承載變形特性研究

尤彬鋒 邱尤寶 宋賢濱

1. 中信建設(shè)有限責(zé)任公司 北京 100027

2. 山東高速工程建設(shè)集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250000

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展城市化進(jìn)程的不斷加快，大量基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)隨之而來，覆蓋了交通、建筑等多個(gè)領(lǐng)域，修建綜合管廊在大中型城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目中也日益增多。在類似的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中一般都會(huì)有各種基坑支護(hù)工程，而城市內(nèi)部土地資源緊張，且環(huán)境復(fù)雜，給基坑的開挖與支護(hù)造成了巨大的困難，保證施工的安全就是保證施工人員的生命安全，基坑安全顯得至關(guān)重要。因此，對(duì)基坑開挖過程中的變形以及支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律進(jìn)行研究具有極其重要的意義。

在上述情況下，許多學(xué)者對(duì)基坑支護(hù)安全進(jìn)行了大量研究。趙雨軍[1]等則通過針對(duì)深基坑與高架橋建立三維空間模型，探討了在不同參數(shù)影響下深基坑開挖對(duì)鄰近高架橋墩頂位移等指標(biāo)所造成的影響。孫超[2]等使用數(shù)值模擬軟件Midas-GTS 模擬了基坑開挖過程，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果相差不大，這表明Midas-GTS的計(jì)算結(jié)果是可靠的。吳兵[3]等學(xué)者使用 Abaqus 軟件對(duì)某地鐵車站的基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，主要針對(duì)排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，此外，還采用敏感性分析的方法，討論了圍護(hù)樁的受力和變形對(duì)土層參數(shù)的敏感性。李松林[4]等學(xué)者針對(duì)沿海地區(qū)城市，對(duì)地下綜合管廊提出了常見的問題及改進(jìn)方法。王晨[5]等在 Midas-GTS 數(shù)值模擬軟件的幫助下，探討了地層彈性模量、內(nèi)摩擦角和粘聚力對(duì)基坑支護(hù)的影響。王燕[6]等學(xué)者使用正交試驗(yàn)和灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)各種可能影響基坑抗隆起穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了敏感性分析，研究結(jié)果顯示，影響基坑抗隆起穩(wěn)定性的主要因素在于土的內(nèi)摩擦角，其后是黏聚力和支擋墻插入比，而土體重度和地面超載的敏感性相對(duì)較小，最下道內(nèi)支撐距坑底的距離對(duì)穩(wěn)定性的影響最小。尤銀龍[7]等為了探究基坑位移對(duì)錨桿預(yù)應(yīng)力、樁頂平臺(tái)寬度和樁徑等參數(shù)的敏感性，針對(duì)土釘墻與樁錨聯(lián)合的支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行了單變量的數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，樁嵌固深度參數(shù)的敏感性最低。

本文基于現(xiàn)有研究成果，在此基礎(chǔ)上采用PLAXIS 3D數(shù)值模擬軟件研究了交通荷載對(duì)管廊基坑變支護(hù)體系區(qū)間承載變形特性的影響，最后結(jié)合工程實(shí)例的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較和分析，并得出了車輛荷載作用下基坑變支護(hù)體系承載變形的一般規(guī)律。

1 工程背景

該綜合管廊工程共分2段，第一段長約5.84km；第二段長約3.51km。管廊總長約9.35km，大部分位于規(guī)劃綠地、人行道和非機(jī)動(dòng)車道下方；綜合管廊涵蓋電力管線、通信管線、給水管線、中水管線、熱力管線和燃?xì)夤芫€等市政管線。

管廊主體為雙艙矩形綜合管廊，標(biāo)準(zhǔn)段外形尺寸大約為7.85m×4.00m，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度約7至9m，較深段基坑深度約11至12m，基坑支護(hù)方案擬于標(biāo)準(zhǔn)段采用鋼板樁，局部較深段采用工法樁。

擬建場(chǎng)地位于濟(jì)南市，地形較平坦，地勢(shì)較低。地下水為第四系孔隙潛水類型，地下水的水位埋藏比較淺，地下水主要依靠大氣降水和地表水進(jìn)行補(bǔ)給，并且主要通過大氣蒸發(fā)、人工開采及向河流進(jìn)行排泄，勘探期間在鉆孔中測(cè)得地下水靜止水位埋深2.5～3.1m，相應(yīng)標(biāo)高18.62～19.03m，水位季節(jié)性變化幅度約2.0～3.0m。歷史最高水位約21.50m，近3～5年最高地下水位標(biāo)高約21.00m。建議常年最高水位為21.50m。

2 有限元模型

2.1 工程概況

土方開挖應(yīng)分層分段開挖，第一層應(yīng)開挖至第一道內(nèi)支撐下50cm處，以后各層高度為內(nèi)支撐的豎向間距，最后一層高度為最后一道內(nèi)支撐下50cm至基坑底位置，分段長度不宜大于16m，嚴(yán)禁超挖。模型針對(duì)基坑支護(hù)類型一進(jìn)行創(chuàng)建，基坑支護(hù)類型一——鋼板樁橫向設(shè)置1道支撐開挖支護(hù)，在基坑深度小于6m時(shí)使用12m長拉森鋼板樁進(jìn)行雙側(cè)壁支護(hù)，兩側(cè)鋼板樁設(shè)置2道縱向腰梁，縱向腰梁采用雙拼45C工字鋼（450x154x10.5）緊貼鋼板樁，用φ609x16鋼管進(jìn)行對(duì)撐，對(duì)撐間距4m，鋼板樁嵌入土體以下6m深。

2.2 模型參數(shù)選取

結(jié)合工程實(shí)例，模型中的土體參數(shù)以及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取均采用工程實(shí)例中所給到的數(shù)據(jù)，以方便后文中將數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)例監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.3 幾何模型建立

為了減小邊界效應(yīng)的影響，邊界面取長寬高為110m×60m×30m，將基坑設(shè)置位于模型中央，另一側(cè)通過施加移動(dòng)線荷載模擬車輛荷載，如圖1所示。模型采用土體硬化模型，鋼板樁采用板單元模擬，板單元兩側(cè)創(chuàng)建正界面和負(fù)界面，腰梁及內(nèi)支撐采用梁?jiǎn)卧M。

表1 土層參數(shù)

圖1 某區(qū)間變支護(hù)體系示意圖

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及土層示意圖

2.4 支護(hù)樁水平位移分析

根據(jù)工程實(shí)例，選取車輛荷載與基坑距離為11.65m，車輛荷載選取20kN/m，車輛動(dòng)荷載循環(huán)的數(shù)值模擬水平位移結(jié)果如圖3和圖4所示，分析得到：在車輛荷載循環(huán)作用下，基坑兩側(cè)土體向基坑內(nèi)部產(chǎn)生位移，臨路側(cè)基坑水平位移明顯大于遠(yuǎn)路側(cè)基坑水平位移，說明荷載距離越小，基坑產(chǎn)生的位移越大；變支護(hù)體系中的斜線路段基坑產(chǎn)生的水平位移明顯大于直線路段，說明變支護(hù)段的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性相較于直線路段來說較差，需要更多關(guān)注。

圖3 管廊基坑變支護(hù)段模型示意圖

圖4 直線段基坑水平位移

圖5 斜線段基坑水平位移

2.5 支護(hù)樁豎向位移分析

根據(jù)工程實(shí)例，車輛動(dòng)荷載循環(huán)的數(shù)值模擬豎向位移結(jié)果如圖6和圖7所示，同理分析得到：在車輛荷載循環(huán)作用下，臨路側(cè)基坑豎向位移明顯大于遠(yuǎn)路側(cè)基坑豎向位移，說明荷載距離越小，基坑產(chǎn)生的位移越大；變支護(hù)體系中的斜線路段基坑產(chǎn)生的豎向位移明顯大于直線路段，說明變支護(hù)段的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性相較于直線路段來說較差，需要更多關(guān)注。模擬值與實(shí)測(cè)值整體變化趨勢(shì)是一致的，且數(shù)量級(jí)相同，數(shù)值范圍相差不大，基坑水平位移均在60天左右達(dá)到最大值。數(shù)值分析結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果變化規(guī)律是一致的，可以用于預(yù)測(cè)基坑及支護(hù)體系的變形，以保證施工過程中的安全性。通過以上數(shù)據(jù)分析表明數(shù)值模擬結(jié)果與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的基本規(guī)律相符合。

圖6 直線段基坑豎向位移

圖7 斜線段基坑豎向位移

3 結(jié)論

以實(shí)際工程為背景，通過數(shù)值模擬分析研究了車輛荷載作用下基坑變支護(hù)體系區(qū)間承載變形特性，然后將模擬結(jié)果與工程實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，研究基坑變支護(hù)體系區(qū)間變形情況。主要得到以下分析結(jié)論:

（1）基坑頂部水平位移與豎向位移隨基坑開挖深度的增加總體呈增大趨勢(shì)，內(nèi)支撐對(duì)水平位移控制作用明顯，對(duì)豎向位移影響不大，支護(hù)樁加內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑變形的控制效果顯著。

（2）變支護(hù)體系區(qū)間段的水平及豎向位移均大于直線段區(qū)間，且位移與荷載距離的遠(yuǎn)近有關(guān)，距離越近，位移越大，距離越遠(yuǎn)，位移越小。

（3）增加內(nèi)支撐的剛度時(shí)，能顯著減小地層變形值，對(duì)地層的沉降變形約束效果具有極大的影響。