大型深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊防汛管線的影響分析及控制措施初探

孫春艷

(上海汀瀅環(huán)?？萍加邢薰?，上海 201707)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，建筑業(yè)也如雨后春筍般地成長(zhǎng)，各類超高層、超大層建筑物崛地而起，基坑的開(kāi)挖深度和廣度也逐步增加，尤其是北京、上海、廣州、深圳等一線城市，基坑周邊的環(huán)境條件愈發(fā)復(fù)雜，位于城市集聚區(qū)的大型深基坑建設(shè)，基坑開(kāi)挖將面臨較大的環(huán)境保護(hù)要求。地下防汛管線，是城市集聚區(qū)最常見(jiàn)的地下管線，是城市防汛除澇的重要渠道，防汛管線系統(tǒng)是極端暴雨天氣下城市的重要保護(hù)屏障，管線一旦遭到破壞，后果不堪設(shè)想。

由于大型基坑建設(shè)規(guī)模大、開(kāi)挖深度深，在周邊存在防汛管線的基坑施工過(guò)程中，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑支護(hù)體系以及基坑土體的開(kāi)挖方式和步驟，都會(huì)對(duì)鄰近的防汛管線造成影響。尤其是施工期，基坑開(kāi)挖造成坑頂卸荷，圍護(hù)墻位移和基坑坑底隆起，引起基坑外土體損失，進(jìn)而引起地面沉降，地下防汛管線一旦隨土體產(chǎn)生位移變化，勢(shì)必影響防汛管線安全。本文采用PLAXIS有限元軟件，分別模擬分析上海市星港國(guó)際中心項(xiàng)目基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)公平路、東大名路、海門路、東長(zhǎng)治路排水管線的影響，借助有限元軟件建立基坑開(kāi)挖數(shù)值模型，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)鄰近防汛管線變形的影響進(jìn)行分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果提出減小和控制管線變形的針對(duì)性方法，為類似大型深基坑工程對(duì)周邊防汛管線的保護(hù)提供借鑒，減少類似事故的發(fā)生。

圖1 項(xiàng)目平面相對(duì)位置

1 工程概況

上海市星港國(guó)際中心項(xiàng)目總建筑面積412419.3m2，設(shè)計(jì)共包括地下室6層，建筑面積182546m2，工程基坑規(guī)模大，深基坑平面尺寸為220m×40m，面積約30440m2，共劃分為6個(gè)區(qū)。項(xiàng)目北側(cè)緊鄰地鐵，臨近地鐵側(cè)基坑設(shè)5層地下室，開(kāi)挖深度介于16.8～23.8m之間，地下室底板底部標(biāo)高為-25.0m，基坑總開(kāi)挖面積為3155m2；剩余地下室均為6層結(jié)構(gòu)，此處地下室底板底部標(biāo)高為-28.5m，基坑總開(kāi)挖面積27285m2；根據(jù)工程環(huán)境及基坑自身情況，基坑安全等級(jí)及環(huán)境保護(hù)等級(jí)均為一級(jí)。

深基坑工程主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)型式，項(xiàng)目地下工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2m厚地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度介于50.0～55.0m之間，地連墻采取3循環(huán)垂直水泥土攪拌墻進(jìn)行施工，對(duì)地連墻兩側(cè)槽壁進(jìn)行加厚處理，外圈外側(cè)加固方式為借助單排700mm厚TRD工法進(jìn)行，剩余部位加固方式借助φ850@600三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行?；臃譃?個(gè)區(qū)，明挖順作，共設(shè)6道鋼筋混凝土支撐，支撐平面布置主要為對(duì)撐與角撐組合的形式。

2 基坑周邊防汛管線情況

基坑周邊環(huán)境緊湊、復(fù)雜，基地四周路面下均分布有較多雨污水管線，見(jiàn)圖1，雨污水合流管徑大，多數(shù)管道距離基坑在0.5倍基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，對(duì)基坑周邊防汛管線各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 周邊防汛管線一覽表

3 防汛管線位移變形控制標(biāo)準(zhǔn)確定

國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地下管線變形控制(水平位移、垂直位移)指標(biāo)提出了明確要求，見(jiàn)表2，由此確定該基坑工程項(xiàng)目區(qū)周邊防汛管線的控制標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表3。

表2 地下管線報(bào)警值控制值

表3 防汛管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)

4 基坑施工對(duì)防汛管線的影響計(jì)算和分析

4.1 模擬方法

基坑開(kāi)挖過(guò)程中隨著坑內(nèi)土體的開(kāi)挖卸載，基坑開(kāi)挖深度的逐漸增加，使得基坑周圍土體原有土壓力平衡遭到破壞，在主被動(dòng)土壓力差作用下，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)位移［1］，基坑周邊防汛管線在坑周土體變形影響下產(chǎn)生位移，其位移量與距離基坑邊距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。應(yīng)變分析的主要源頭為應(yīng)力分析，常見(jiàn)方法主要有經(jīng)驗(yàn)法、數(shù)值分析法及彈性地基梁法。有限元法適于處理土體變形產(chǎn)生的一系列非均質(zhì)體、非線性的復(fù)雜邊界問(wèn)題，本文采用數(shù)值分析方法，利用PLAXIS有限元計(jì)算軟件，簡(jiǎn)化計(jì)算剖面進(jìn)行分析，建立與施工條件相一致的平面有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)基坑開(kāi)挖引起的周邊防汛管線變形影響進(jìn)行預(yù)判。

土體采用Mohr-Coulomb模型，確保模擬單元內(nèi)的任何一個(gè)平面都能夠有效遵守Coulomb摩擦定律?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)同土體之間產(chǎn)生相互作用，數(shù)值模擬過(guò)程中采取彈塑性無(wú)厚度的Goodman接觸面來(lái)模擬這種相互作用關(guān)系。

依據(jù)建立的深基坑開(kāi)挖數(shù)值模型，對(duì)基坑施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析基坑土體開(kāi)挖過(guò)程對(duì)于防汛管線位移的影響。采用PLAXIS有限元計(jì)算軟件對(duì)施工階段進(jìn)行模擬過(guò)程中，借助于“單元生死”的方式實(shí)現(xiàn)基坑土體開(kāi)挖及支護(hù)體系的施工，本工程深基坑采取明挖順做法進(jìn)行施工，根據(jù)基坑施工現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)施工情況結(jié)合合理假設(shè)動(dòng)態(tài)模擬基坑開(kāi)挖的整個(gè)過(guò)程。

4.2 計(jì)算參數(shù)

結(jié)合工程地質(zhì)勘查成果，參考周邊工程地質(zhì)勘查及施工數(shù)據(jù)，整理本工程基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)各層土體的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 項(xiàng)目區(qū)土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

4.3 分析模型建立

4.3.1 計(jì)算區(qū)域

基坑工程西側(cè)、南側(cè)、東側(cè)分析模型深度取距離圍護(hù)樁頂70m，模型總寬度85m；基坑北側(cè)對(duì)C區(qū)的基坑分析模型深度取距離圍護(hù)樁頂70m，模型總寬度100m。模型界面以水平方向?yàn)閄軸方向，重力方向?yàn)閅軸方向，并對(duì)基坑周邊邊界施加位移約束。在單元選取上選用等三角形十五節(jié)點(diǎn)平面單元對(duì)土體進(jìn)行單元?jiǎng)澐帧?/p>

4.3.2 計(jì)算工況

計(jì)算工程初始應(yīng)力場(chǎng)(地下水位取地表下1.5m)；對(duì)上述步驟產(chǎn)生位移歸0；激活基坑圍護(hù)設(shè)施和周邊道路荷載。

基坑外水位為-1.5m(相對(duì)地面標(biāo)高)；基坑內(nèi)降水至坑底-0.5m處(相對(duì)坑底標(biāo)高)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取坑邊超載為20kPa；基坑土體開(kāi)挖至坑底。

4.3.3 模擬施工步驟

圍護(hù)樁施工→基坑降水→坑頂卸荷→開(kāi)挖至第一道支撐→設(shè)置第一道支撐→開(kāi)挖至第二道支撐→設(shè)置第二道支撐(依次進(jìn)行)→開(kāi)挖至坑底。

5 基坑施工對(duì)防汛管線的影響計(jì)算與分析

在對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析過(guò)程中，將管線位移取為其所在位置土體的變形量，根據(jù)該方法經(jīng)模擬得到基坑開(kāi)挖過(guò)程中研究管線的總位移、水平位移及豎向位移，并提取位移云圖，見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 基地東側(cè)海門路基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)的土層水平變形及垂直變形

圖3 基地南側(cè)東大名路基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)的土層水平變形及垂直變形

圖4 基地西側(cè)公平路基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)的土層水平變形及垂直變形

圖5 基地北側(cè)東長(zhǎng)治路基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)的土層水平變形及垂直變形

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)基坑開(kāi)挖對(duì)周邊防汛管 線的影響變形量，見(jiàn)表5。

表5 周邊防汛管線變形計(jì)算成果

基坑開(kāi)挖過(guò)程中隨著坑內(nèi)土體的開(kāi)挖卸載，基坑周邊土體應(yīng)力被逐步釋放，在基坑內(nèi)外主被動(dòng)土壓力差作用下基坑周邊土體發(fā)生變形，進(jìn)一步使得基坑周邊防汛管線出現(xiàn)位移［2］。本基坑工程項(xiàng)目為大型深基坑工程，基坑面積大、深度深?；訃o(hù)方案在鋼筋混凝土地下連續(xù)墻+兩側(cè)三軸攪拌樁槽壁加固及6道1.2m×1.0m橫向鋼筋混凝土支撐設(shè)置下，臨近雨污水管線水平位移均在允許范圍內(nèi)，該理論計(jì)算結(jié)果的條件是隨挖隨撐，最大化地降低土體位移場(chǎng)的變化。同時(shí)，由于距離基坑較近，受基坑開(kāi)挖及施工荷載的影響，對(duì)基坑外形成正彎矩，理論計(jì)算管道垂直變形均超出報(bào)警值，特別是基地東側(cè)海門路下DN900雨污水合流管、基地東側(cè)海門路下DN900雨污水合流管管徑較大，又是區(qū)域重要排水管線，一旦破壞，后果嚴(yán)重。因此，應(yīng)提升基坑圍護(hù)方案中控制豎向變形的措施，施工期間控制豎向荷載，并加強(qiáng)對(duì)所有管線的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)保護(hù)，制定相應(yīng)的動(dòng)態(tài)保護(hù)措施和應(yīng)急搶險(xiǎn)方案，防止意外的發(fā)生。

6 預(yù)防管線變形的控制保護(hù)方案

6.1 處理措施

針對(duì)管線發(fā)生的垂直位移變形可能超過(guò)允許變形量的情況，需采取有效的保護(hù)方案和措施。處理措施主要分為3個(gè)方面。

a.從源頭上保護(hù)。加強(qiáng)圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、降低地下水位、合理確認(rèn)開(kāi)挖方式等，減少因有效應(yīng)力增加引起的不均勻沉降。

b.從傳播途徑上保護(hù)。管線與基坑之間采取隔斷措施，使應(yīng)力傳遞中斷，減少管線周邊土體的沉降變形。

c.提高周圍環(huán)境抵抗變形的整體能力。

6.2 保護(hù)方案

針對(duì)本項(xiàng)目防汛管線計(jì)算結(jié)果，提出如下周邊防汛管線的保護(hù)方案。

a.樁基施工前，在管線與樁基之間采取靜壓鋼板樁的隔離措施，以防止防汛管線周圍土體受壓變形。

b.基坑周邊管線上部路面進(jìn)行硬化，采用C30、300mm厚鋼筋混凝土進(jìn)行硬化處理。鋼筋采用直徑20mm鋼筋，縱、橫向間距均為20cm，網(wǎng)片結(jié)構(gòu)布置［3］。

c.地面設(shè)置防汛管線走向的警示標(biāo)志及標(biāo)識(shí)牌。

d.由于承壓水頭勘察期間與施工期間可能存在變化，基坑開(kāi)挖前對(duì)承壓水再次進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合施工前試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及底板局部深坑的最終挖深，采取合理措施分級(jí)按需對(duì)承壓水降壓，控制減少降承壓水對(duì)防汛管線的影響，確?；拥陌踩┕?，保護(hù)周邊防汛管線。

e.為防止支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大，基坑開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格控制開(kāi)挖深度1倍范圍內(nèi)移動(dòng)荷載，并嚴(yán)禁在該范圍內(nèi)堆載。

f.管線的變形主要由周圍土體變形引起，土體開(kāi)挖應(yīng)該注意時(shí)間效應(yīng)，并嚴(yán)格按照施工方案分層、分塊開(kāi)挖，并注意隨挖隨撐，盡量減少支護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)支撐暴露時(shí)間，防止土體流變的產(chǎn)生。

g.施工過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)管線的水平及垂直位移監(jiān)測(cè)控制，如產(chǎn)生超過(guò)日?qǐng)?bào)警值2mm/d或累計(jì)8mm/d的情況，及時(shí)告知參建各方，以便及時(shí)對(duì)超報(bào)警值管線采取相應(yīng)的保護(hù)和加固措施。

7 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過(guò)程防汛管線水平監(jiān)測(cè)布點(diǎn)84個(gè)，垂直監(jiān)測(cè)布點(diǎn)109個(gè)，監(jiān)測(cè)頻率1次/天、2次/周，根據(jù)項(xiàng)目自樁基施工至地下結(jié)構(gòu)出0.00mm地面后的整個(gè)過(guò)程及后續(xù)半年時(shí)間的監(jiān)測(cè)成果，沉降累計(jì)值最大的點(diǎn)為公平路上的Y3點(diǎn)，DN600雨污水合流管線，水平變形5.78mm，垂直變形-9.85mm，并趨于穩(wěn)定，管線無(wú)結(jié)構(gòu)性及功能性損壞，沉降變形與PLAXIS模型在施工前根據(jù)圍護(hù)方案計(jì)算的管線變形結(jié)論基本一致，管線豎向變形模擬值整體大于實(shí)測(cè)值［4］。

8 結(jié)論

大型深基坑開(kāi)挖過(guò)程中，大面積的土方卸載勢(shì)必引起基坑周圍土體的位移場(chǎng)變化，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，尤其是對(duì)臨近防汛管線的正常使用可能產(chǎn)生較大的安全隱患［5］。

通過(guò)采用有限元計(jì)算結(jié)果及監(jiān)測(cè)結(jié)論，提出以下結(jié)論：按基坑實(shí)際分區(qū)順序、開(kāi)挖及支撐順序執(zhí)行，嚴(yán)格模擬實(shí)際施工過(guò)程，更利于保證結(jié)果與實(shí)際發(fā)生情況的分析一致性；管線的變形主要由周圍土體變形引起，土體開(kāi)挖應(yīng)注意時(shí)間效應(yīng)，基坑開(kāi) 挖應(yīng)有效借助“時(shí)空效應(yīng)”原理進(jìn)行施工組織，按照限時(shí)開(kāi)挖原則規(guī)范施工過(guò)程［6］；按照施工方案規(guī)范各項(xiàng)工藝流程，注重支護(hù)體系及時(shí)施工，防止超挖，減少土體流變；加強(qiáng)施工過(guò)程中基坑外側(cè)荷載控制，尤其是1倍基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，嚴(yán)禁堆載；施工道路的硬化對(duì)防汛管線的保護(hù)具有有利作用；加強(qiáng)施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)，對(duì)發(fā)生報(bào)警值的管線及時(shí)采取相應(yīng)加固措施，對(duì)防汛管線變形進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)控。