管廊節(jié)段堆載對(duì)基坑及周邊環(huán)境的影響研究

余成書

(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。管廊施工方法主要有明挖法和暗挖法，明挖是較常采用的施工方法，又可分為明挖現(xiàn)澆法和明挖預(yù)制拼裝法，其中，預(yù)制拼裝法以高效、節(jié)能環(huán)保、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，成為綜合管廊施工的主要發(fā)展方向[1-3]。對(duì)于采用明挖預(yù)制法施工的綜合管廊，在其結(jié)構(gòu)吊裝前，通常需要將預(yù)制的管廊節(jié)段提前堆放于基坑邊側(cè)。此堆載會(huì)產(chǎn)生附加土壓力，易引起支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地層出現(xiàn)大的位移變形[4]。因此，研究坑邊堆載對(duì)管廊基坑及周邊環(huán)境的影響規(guī)律，評(píng)價(jià)其安全性，已成為綜合管廊施工中亟需解決的問(wèn)題。已有的相關(guān)研究有：姜晨光等[5]基于地球引力場(chǎng)理論，結(jié)合原位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出堆載作用下基坑坑壁土壓力計(jì)算的引力算法；趙春榮等[6]采用有限元法模擬分析在較大坑外堆載條件下，樁錨支護(hù)箱涵深基坑的受力規(guī)律，并通過(guò)對(duì)比4種樁錨方案支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀況和過(guò)程，探討不同應(yīng)力特點(diǎn)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響；劉浜葭等[7]以某工民建基坑為例，采用數(shù)值模擬方法，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移的影響規(guī)律進(jìn)行研究；孫永超等[8]建立了三維動(dòng)態(tài)計(jì)算模型，模擬不同堆載作用下軟土深基坑的施工全過(guò)程，分析總結(jié)支護(hù)樁變形、地表沉降及支撐軸力的變化特性；朱江華等[9]以南昌市某深基坑為工程背景，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件模擬深基坑堆載作用下的開(kāi)挖全過(guò)程；王鵬等[10]基于深基坑微型樁支護(hù)模型試驗(yàn)，研究深基坑周邊堆載時(shí)的力學(xué)響應(yīng)特征及破壞規(guī)律；陳偉文等[11]研究了基坑開(kāi)挖前后基坑坑側(cè)土體不同應(yīng)力路徑的變化情況，歸納了基坑開(kāi)挖前、后，復(fù)雜應(yīng)力路徑條件下土體的應(yīng)力變形及強(qiáng)度特征；還有一些學(xué)者[12]運(yùn)用有限元軟件研究不平衡堆載作用下深基坑開(kāi)挖的全過(guò)程，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析，得到坑邊不均衡堆載對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響規(guī)律，為優(yōu)化不平衡荷載作用下基坑的設(shè)計(jì)提供參考。盡管關(guān)于堆載作用下深基坑的相關(guān)研究報(bào)道不少，但本次研究的深基坑形式為綜合管廊基坑，與工民建專業(yè)常出現(xiàn)的大面積方形或圓形基坑不同。管廊基坑主要表現(xiàn)為“窄長(zhǎng)”，基坑兩側(cè)的支護(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)堆載時(shí)，若不盡快封閉回填，土體的偏壓作用將會(huì)威脅基坑的安全[14]。

依托于福建平潭綜合管廊深基坑工程，借助有限元軟件模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程，分析坑外預(yù)制管廊節(jié)段堆載作用下基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地表的響應(yīng)情況，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析基坑的安全穩(wěn)定性。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

平潭地下管廊工程總長(zhǎng)約22.577 km，里程為GA0+00～GA22+576.988。選取預(yù)制拼裝段GA6+670～GA7+106.5(436.5 m)進(jìn)行研究。該段管廊采用明挖預(yù)制拼裝法施工，基坑寬11.9 m，開(kāi)挖深度9～10 m，呈東西走向?；颖眰?cè)緊鄰現(xiàn)狀環(huán)島路人行道，南側(cè)主要為空地和山體，局部存在房屋且多分布有地下管線。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

由工程地質(zhì)剖面(見(jiàn)圖 1)可知，研究段基坑主要分布素填土、中砂和中微風(fēng)化花崗巖；地下水位埋深一般為1.50～5.90 m。

圖1 工程地質(zhì)剖面(單位：m)

1.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

該管廊基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800@1 200 mm灌注樁+2道內(nèi)支撐。其中，灌注樁樁長(zhǎng)14.2 m，樁間施作φ800 mm雙重管旋噴樁，并在樁內(nèi)側(cè)掛φ8@200×200 mm鋼筋網(wǎng)，噴射100 mm厚的C20混凝土護(hù)面。沿基坑垂直方向設(shè)置2道內(nèi)支撐，第一道為800×800@8 000 mm的鋼筋混凝土支撐，第二道為φ609×12@4 000 mm的鋼管支撐。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖 2。

圖2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)(單位：mm)

2 有限元模型建立

2.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

借助PLAXIS 3D數(shù)值分析平臺(tái)構(gòu)建模型，如圖 3所示?；由?.5 m，地下水位埋深5.0 m，圍護(hù)樁長(zhǎng)15.6 m，設(shè)計(jì)2道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐(800×800@8 000)，第二道為鋼管支撐(φ609×12@4 000)。根據(jù)圣維南原理及工程經(jīng)驗(yàn)，沿基坑橫剖面方向的模型總長(zhǎng)取為基坑開(kāi)挖深度的6倍左右，沿基坑縱剖面方向的模型總長(zhǎng)取為54 m，坑底以下土體深度取基坑開(kāi)挖深度的1.5倍，模型總尺寸為基坑縱向(x)×橫向(y)×豎向(z)=54 m×60 m×25 m。土體網(wǎng)格共劃分為22 462個(gè)單元，38 364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。除中砂采用小應(yīng)變硬化(HSS)模型外，其余土體均采用理想彈塑性(MC)模型。

圖3 基坑開(kāi)挖支護(hù)三維數(shù)值模型

根據(jù)地勘報(bào)告及地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，可得出各土層物理力學(xué)參數(shù)(見(jiàn)表 1)，參數(shù)包括：重度γ、楊氏模量E、泊松比v、內(nèi)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ。支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表 2。

表1 土體參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 工況模擬分析

(1)地應(yīng)力平衡，記為CS0。

(2)施作圍護(hù)樁并設(shè)置第一道內(nèi)撐，開(kāi)挖至-2.6 m，記作CS1。

(3)施工第二道內(nèi)撐，開(kāi)挖至-6.0 m，記作CS2。

(4)開(kāi)挖到坑底-9.5 m，記作CS3。

(5)～(14)，計(jì)劃每日完成預(yù)制管段10節(jié)。因此，在基坑外地表陸續(xù)施加10節(jié)預(yù)制管廊節(jié)段的等效荷載，記作CS4～CS13。單節(jié)管廊斷面為長(zhǎng)9.8 m，高4.0 m，寬1.5 m，質(zhì)量約為46.7 t。經(jīng)換算，每個(gè)節(jié)段的等效荷載為-31.77 kPa，荷載面積為14.7 m2。

3 結(jié)果分析

3.1 周邊地表沉降分析

基坑開(kāi)挖至坑底(CS3)和施加第10節(jié)管段荷載時(shí)(CS13)，周邊地表沉降分布云圖如圖 4所示。提取各施工階段基坑超載側(cè)及另一側(cè)地表豎向位移極值，繪制地表沉降變化曲線，如圖 5所示。

圖4 地層豎向位移云圖

圖5 地表沉降隨施工過(guò)程變化曲線

結(jié)合圖 4和圖 5可知，在管廊節(jié)段堆載施加前，基坑開(kāi)挖引起的地表沉降最大值在5 mm以內(nèi)；施加管段堆載后，地表沉降峰值集中在堆載作用區(qū)域，另一側(cè)地表沉降基本無(wú)變化。雖然坑邊地表荷載集度保持不變，但是隨著荷載分布寬度及長(zhǎng)度的增大，地表沉降峰值呈逐漸增大的趨勢(shì)，并且隨著堆載面積的增大而逐漸增加，從之前的4.35 mm增加至19.35 mm。

3.2 圍護(hù)墻深層水平位移分析

基坑開(kāi)挖至坑底(CS3)和施加第10節(jié)管段荷載時(shí)(CS13)，圍護(hù)墻深層水平位移分布云圖見(jiàn)圖 6。提取各施工階段基坑超載側(cè)及對(duì)側(cè)圍護(hù)墻水平位移峰值，繪制隨施工過(guò)程的變化曲線(如圖 7所示)。

圖6 圍護(hù)墻水平位移云圖

圖7 圍護(hù)墻側(cè)移變化曲線

由圖 6和圖 7可知，在堆載施加前，基坑開(kāi)挖引起的圍護(hù)墻水平位移最大值在11 mm以內(nèi)。施加堆載后，在坑邊管段荷載集度保持不變的情況下，隨著荷載分布寬度及長(zhǎng)度的增大，基坑兩側(cè)圍護(hù)墻水平位移只發(fā)生了較小的變化。當(dāng)施加10節(jié)管段的分布荷載后，鄰超載側(cè)圍護(hù)墻水平位移峰值從之前的10.87 mm逐漸增大至11.66 mm，增幅為7.3%，而另一側(cè)圍護(hù)墻水平位移峰值甚至略有減小，從之前的10.84 mm減小為10.76 mm，降幅0.7%。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

(1)圍護(hù)墻彎矩分析

基坑開(kāi)挖至坑底(CS3)和施加第10段管段荷載時(shí)(CS13)，圍護(hù)墻彎矩分布見(jiàn)圖 8。各施工階段基坑超載側(cè)及對(duì)側(cè)圍護(hù)墻彎矩峰值變化曲線如圖9所示。

圖8 圍護(hù)墻彎矩云圖

圖9 圍護(hù)墻彎矩隨施工過(guò)程的變化曲線

由圖 8和圖 9可知，圍護(hù)墻彎矩隨管段堆載的變化規(guī)律與圍護(hù)墻水平位移變化規(guī)律相似。在堆載施加前，基坑開(kāi)挖引起的圍護(hù)墻彎矩最大值在390 kN·m以內(nèi)。施加堆載后，隨著荷載分布寬度及長(zhǎng)度的增大，基坑兩側(cè)圍護(hù)墻彎矩只發(fā)生很微小的變化，當(dāng)施加10節(jié)管段的分布荷載后，鄰超載側(cè)圍護(hù)墻負(fù)彎矩峰值從之前的389.2 kN·m逐漸增大至428.0 kN·m，增幅為10.0%，另一側(cè)圍護(hù)墻彎矩峰值變化幅度很小，從之前的387.3 kN·m增大為392.5 kN·m，增幅為1.3%。

(2)支撐內(nèi)力分析

各施工階段的支撐軸力峰值見(jiàn)表3(受拉為正，受壓為負(fù))。

表3 支撐軸力峰值 kN

從表3可以看出，當(dāng)基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)，第一道支撐逐漸轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)(518.7 kN)，第二道支撐處于受壓狀態(tài)(-1 982 kN)。施加堆載后，第一道支撐仍受拉，第二道支撐仍受壓，兩道支撐的軸力均略有增加，第一道支撐由堆載前的518.7 kN增至552.5 kN，增幅6.5%，第二道支撐軸壓力由堆載前的1 982 kN增至2 016 kN，增幅為1.7%。

總體來(lái)說(shuō)，在當(dāng)前的堆載集度及分布區(qū)域條件下，基坑受管段堆載的影響幅度不大。

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

為觀察管廊基坑開(kāi)挖過(guò)程中，基坑北側(cè)堆積的10節(jié)管段對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地表的影響，選取里程號(hào)為GA6+670～GA6+710的區(qū)間段展開(kāi)實(shí)測(cè)分析，監(jiān)測(cè)平面見(jiàn)圖10。

圖10 測(cè)點(diǎn)平面

4.1 圍護(hù)墻深層水平位移數(shù)據(jù)分析

CX1、CX2的變化曲線見(jiàn)圖11。

圖11 支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測(cè)曲線

從圖 11可知，超載側(cè)及對(duì)側(cè)支護(hù)樁深層水平位移均呈現(xiàn)隨開(kāi)挖深度加大而增加的變形規(guī)律，開(kāi)挖至基底后的側(cè)移形態(tài)表現(xiàn)為“△”狀，峰值出現(xiàn)在9～10 m位置，位于基底附近。這主要是因?yàn)闃兜浊豆淘趶?qiáng)度較高的中微風(fēng)化花崗巖中，提供了足夠的支撐所致。在堆載10節(jié)管段后，超載對(duì)側(cè)的位移峰值從12.1 mm減少至11.9 mm，降幅約1.6%，而超載側(cè)則從12.0 mm增加到13.5 mm，增幅約12%，與數(shù)值模擬結(jié)果的趨勢(shì)和大小基本相符。超載對(duì)側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移峰值略有減小，而超載側(cè)位移峰值則發(fā)生一定的增幅。由此可見(jiàn)，在坑邊堆載10節(jié)管段后，對(duì)超載側(cè)圍護(hù)墻影響不大，而超載對(duì)側(cè)則基本無(wú)變化。

4.2 地表沉降數(shù)據(jù)分析

DBC1和DBC2的變化曲線見(jiàn)圖 12。

圖12 地表沉降隨時(shí)間變化曲線

由圖 12可以看出，超載對(duì)側(cè)(DB1)變化曲線隨時(shí)間逐漸增大，而后趨于穩(wěn)定，在堆載10節(jié)管段后，沉降峰值從4.3 mm減少至4.1 mm；然而超載側(cè)的沉降速率則急劇加快，沉降峰值從3.7 mm增加到19.2 mm。由此可見(jiàn)，在坑邊堆載10節(jié)管段后，超載側(cè)的地表沉降量在管段堆積荷載的作用下急劇增大。

地表沉降監(jiān)測(cè)剖面DB1和DB2隨坑邊距離變化的地表沉降監(jiān)測(cè)曲線如圖 13所示。

圖13 地表沉降隨距離變化曲線

由圖13可知，管段堆載前，沉降峰值均在距坑邊約6 m處。堆載10節(jié)管段后，超載對(duì)側(cè)沉降極值出現(xiàn)的位置不變，超載沉降峰值則移至距坑邊約10 m處。由此可見(jiàn)，堆載10節(jié)管段后，超載側(cè)沉降極值出現(xiàn)的位置與管段堆積位置聯(lián)系緊密。

5 結(jié)論及建議

以平潭綜合管廊某區(qū)間段預(yù)制拼裝管廊基坑工程為例，通過(guò)有限元法建立三維數(shù)值模型，計(jì)算分析堆載預(yù)制管廊節(jié)段于坑邊時(shí)的(不同超載工況下)地層沉降規(guī)律、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及受力響應(yīng)特征，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)施加管段堆載后，在坑邊管段荷載集度保持不變的情況下，隨著荷載分布寬度及長(zhǎng)度的增大，圍護(hù)墻側(cè)移、彎矩及支撐軸力的變化幅度較小。堆放10節(jié)管段引起超載側(cè)的圍護(hù)墻側(cè)移增幅約為7.3%，圍護(hù)墻彎矩極值增幅約為10%，第一道支撐軸力增幅為6.5%，但其軸力值較小，第二道支撐軸力值較大，但增幅僅為1.7%，超載對(duì)側(cè)則基本沒(méi)有影響。

(2)管段堆載對(duì)超載側(cè)地表沉降影響顯著，地表沉降極值隨堆載面積的增加而急劇增大。以平鋪堆放10節(jié)管段為例，地表沉降極值增幅明顯，超載對(duì)側(cè)則基本沒(méi)有影響，可見(jiàn)地表沉降與管段堆載具有明顯的關(guān)聯(lián)性。

(3)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“△”狀，堆放10節(jié)管段后，變化幅度較小，超載側(cè)位移極值從12.0 mm增加至13.5 mm，超載對(duì)側(cè)則從12.1 mm減少至11.9 mm；地表沉降形態(tài)呈現(xiàn)“漏斗”狀的特點(diǎn)；在堆載引起的附加應(yīng)力作用下，超載側(cè)地表沉降量急劇增大，沉降峰值從-3.7 mm增加到-19.2 mm，沉降極值也分布至堆載區(qū)域，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相近。總體上，管廊周邊地表沉降處于允許范圍，綜合管廊基坑處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。