管廊深基坑大間距支護(hù)樁數(shù)值模擬及施工監(jiān)測(cè)

王繼槐

(中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

城市地下綜合管廊作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一部分，其修建可以避免反復(fù)開挖現(xiàn)狀道路、解決架空管線雜亂無(wú)章等特殊問題，同時(shí)其修建可以提升城市服務(wù)水平和改善人們的生活質(zhì)量?；娱_挖是管廊施工的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基坑施工的一個(gè)重要步驟，而支護(hù)樁樁間距的選擇又是支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，目前大部分支護(hù)樁設(shè)計(jì)理論遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)踐的需要，對(duì)于合理樁間距的確定基本依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，并無(wú)完整的理論體系可循；傳統(tǒng)的樁間距設(shè)計(jì)并未將樁間土拱效應(yīng)的有力影響考慮進(jìn)去，取值偏保守，故設(shè)計(jì)的樁間距普遍較小，一般為2 m左右。該文結(jié)合工程實(shí)例，運(yùn)用理正深基坑7.0PB3軟件對(duì)大間距支護(hù)樁的施工全過程進(jìn)行數(shù)值模型，并通過施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)復(fù)核設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性及施工的安全性。

1 工程概況

西安市昆明路地下綜合管廊項(xiàng)目位于西安市雁塔區(qū)昆明路段，東西走向，西起皂河?xùn)|岸，東至西二環(huán)，總長(zhǎng)度3.757 km。全線管廊分為上下兩層，5個(gè)艙室，上層為兩艙式雨水箱涵；下層為三艙室綜合管廊。

全線綜合管廊基坑開挖采用護(hù)坡樁支護(hù)，由于綜合管廊與上層高架橋同步實(shí)施，為了避讓高架橋墩臺(tái)，護(hù)坡樁在墩臺(tái)處須加大樁間距。為保證綜合管廊的順利實(shí)施，墩臺(tái)處護(hù)坡樁施工便成為該工程的技術(shù)重點(diǎn)和難點(diǎn)。墩臺(tái)處護(hù)坡樁設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 護(hù)坡樁設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 基坑開挖過程數(shù)值模擬

2.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

物理力學(xué)參數(shù)：依據(jù)《西安市地下綜合管廊建設(shè)PPP項(xiàng)目Ⅰ標(biāo)段巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》取值。

設(shè)計(jì)荷載：距基坑邊2 m范圍內(nèi)地面內(nèi)嚴(yán)禁堆載，2 m范圍外按30 kPa堆載考慮。

安全等級(jí)：該基坑側(cè)壁安全等級(jí)為Ⅰ級(jí)，側(cè)壁重要性系數(shù)為1.1。

地下水：施工期間降至坑底以下50 cm。

2.2 模型的建立

此次計(jì)算采用極限平衡法并運(yùn)用理正深基坑7.0PB3軟件對(duì)管廊基坑施工全過程進(jìn)行模擬。依據(jù)表1，此次選用G7護(hù)坡樁(最不利)進(jìn)行分析，基坑開挖深度達(dá)20 m；模型中不考慮微型樁的有力影響。鋼支撐采用φ609(t=16 mm)Q235鋼管，基坑實(shí)際開挖工況：工況1：開挖至6.9 m→工況2：加內(nèi)撐1→工況3：加內(nèi)撐2→工況4：開挖至10.9 m→工況5：加內(nèi)撐3→工況6：開挖至13.9 m→工況7：加內(nèi)撐4→工況8：開挖至17.15 m→工況9：加內(nèi)撐5→工況10：開挖至20 m。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 支護(hù)樁受力分析

通過理正深基坑7.0PB3軟件對(duì)基坑施工全過程的模擬，得出了不同工況下支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、彎矩、剪力圖。通過提取模型結(jié)果，繪制出各工況下最大位移、最大彎矩、最大剪力，具體見圖1～3。

圖1 各工況下最大位移變化圖

圖2 各工況下最大彎矩變化圖

圖3 各工況下最大剪力變化圖

由圖1～3可知：隨著基坑開挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移逐步減小，后趨于平穩(wěn)；隨著開挖深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大彎矩、最大剪力整體均呈先增加后減少的趨勢(shì)，彎矩最大值為2 261.95 kN·m，剪力值最大值為1 579.13 kN。根據(jù)最大內(nèi)力配筋，樁體需主筋29E25，而設(shè)計(jì)實(shí)配主筋34E28，由此說明設(shè)計(jì)配筋合理，且具有一定的安全儲(chǔ)配。

2.3.2 整體穩(wěn)定性分析

驗(yàn)算基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，采用瑞典條分法，其條分法中的土條寬度設(shè)定為0.5 m；滑裂面數(shù)據(jù)：圓弧半徑R=27.595 m，圓心坐標(biāo)X=-5.209 m，圓心坐標(biāo)Y=17.817 m。

整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.410>1.35,滿足規(guī)范要求。

由分析可知：采用支護(hù)樁+鋼支撐支護(hù)形式能夠保證基坑的整體穩(wěn)定性，能有效保證基坑施工前后的安全，且周邊建筑受到的影響較小。

2.3.3 抗傾覆穩(wěn)定性分析

抗傾覆(對(duì)支護(hù)底取矩)穩(wěn)定性驗(yàn)算:

式中：Mp為被動(dòng)土壓力及支點(diǎn)力對(duì)樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動(dòng)土壓力對(duì)樁底的傾覆彎矩。

各工況抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)見表2。

表2 各工況抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

由表2可知：各工況抗傾覆系數(shù)均滿足規(guī)范要求(大于1.250)。采用該支護(hù)形式能夠保證基坑的抗傾覆穩(wěn)定性，且能有效保證基坑施工前后的安全。

2.3.4 嵌固深度分析

依據(jù)JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，嵌固深度對(duì)于單支點(diǎn)支護(hù)結(jié)構(gòu)ld不宜小于0.3h，故嵌固構(gòu)造深度ld=0.3×29 m=8.7 m，而設(shè)計(jì)采用的嵌固深度為9 m，滿足規(guī)范要求。

3 基坑開挖智慧監(jiān)測(cè)

依據(jù)GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，基坑開挖過程中須對(duì)基坑、支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物等的內(nèi)力、變形及沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確?；邮┕ぜ爸苓吔ㄖ锏陌踩?。

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

該工程進(jìn)行了3項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分別為地面沉降監(jiān)測(cè)、土體深層水平位移監(jiān)測(cè)和鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置嚴(yán)格按照GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》及相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，具體布設(shè)如圖4所示。

圖4 基坑平面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警值確定

依據(jù)規(guī)范及施工經(jīng)驗(yàn)，確定了各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的預(yù)警值，如表3所示。

表3 各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目預(yù)警值

3.4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.4.1 管廊施工工況劃分

此次選用K1+400～K3+860標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行分析，基坑深12 m，施工分為6個(gè)工況：工況1：施工微型樁和支護(hù)樁→工況2：開挖至第1道支撐以下4 m，施工第1道支撐→工況3：基坑開挖至第2道支撐以下4 m，施工第2道支撐→工況4：開挖至基底標(biāo)高，澆筑混凝土墊層及廊體底板→工況5：拆除第2道支撐，土方回填至第1道支撐底→工況6：拆除第1道支撐，土方回填至規(guī)劃地面標(biāo)高。

3.4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

(1)地面沉降

此次選取3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)均距坑邊2 m，沉降結(jié)果見圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面沉降隨時(shí)間變化圖

由圖5可知：3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面沉降有著相似的變化規(guī)律，即沉降曲線先呈線性變化后逐漸變緩，最后趨于穩(wěn)定，最大沉降量為19.01 mm，未超過預(yù)警值，基坑處于安全狀態(tài)。沉降點(diǎn)DJ22沉降量明顯高于其他兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要原因?yàn)镈J22監(jiān)測(cè)點(diǎn)臨近高架橋墩臺(tái)處，該處支護(hù)樁間距比標(biāo)準(zhǔn)段要大，臨時(shí)支護(hù)未能及時(shí)跟上。

為更好地描述高架橋墩臺(tái)處基坑開挖引起的地面沉降，施工期間在墩臺(tái)處沿道路橫向布置1排監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖6。

圖6 墩臺(tái)處地面沉降隨距坑邊距離變化圖

由圖6可知：隨著距基坑的距離增大，地面沉降先增大后逐漸變小，地面沉降最大發(fā)生在距基坑邊約1倍開挖深度處，沉降最大值達(dá)23.25 mm，未超過預(yù)警值。

(2)土體深層水平位移

此次選用SJ2監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果見圖7。由圖7可知：3種工況下位移曲線基本類似，即先增加后減小，最大位移值分別為19.91、20.51、23.07 mm，均未超過預(yù)警值。另外，工況4水平位移明顯大于工況2、3，主要原因?yàn)椋孩?基坑開挖至基底時(shí)，由于開挖速度過快，導(dǎo)致鋼支撐還未充分發(fā)揮作用；② 第2道支撐離坑底距離較遠(yuǎn)，作用有所減弱。

圖7 土體深層位移隨開挖深度變化圖

(3)鋼支撐軸力

鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)采用軸力計(jì)，選用K2+350斷面處兩道支撐進(jìn)行分析，結(jié)果見圖8。

圖8 支撐軸力隨時(shí)間變化曲線圖

由圖8可知：鋼支撐施加后，支撐軸力先減小后緩慢增加；支撐架設(shè)完后，軸力在短時(shí)間內(nèi)會(huì)有較小降幅，原因在于鋼支撐施加預(yù)加力后會(huì)使樁后土體壓縮，樁體產(chǎn)生沿基坑外的變形。第2道支撐架設(shè)完后，第1道支撐軸力逐步穩(wěn)定；當(dāng)拆除第2道支撐以后，坑外土壓力由樁體及第1道支撐承擔(dān)，第1道支撐軸力又穩(wěn)步上升。兩道支撐最大軸力均未超過預(yù)警值，基坑處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)采用理正深基坑7.0PB3軟件對(duì)管廊基坑的施工全過程進(jìn)行了模擬，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力、穩(wěn)定性、樁體嵌固深度等。分析可知高架橋段采用4 m間距支護(hù)樁+鋼支撐的支護(hù)形式能夠保證基坑施工前后的安全，驗(yàn)證了該支護(hù)形式的合理性。

(2)由支護(hù)樁的受力分析可知，隨著基坑開挖深度的增加，樁體最大內(nèi)力值先增大后減小，樁體最大位移值逐步減小。依據(jù)最大內(nèi)力配筋，證明樁體設(shè)計(jì)配筋合理，并具有一定的安全儲(chǔ)備。

(3)高架橋段地面沉降較標(biāo)準(zhǔn)段要大；隨著距基坑的距離增大，地面沉降先增大后逐漸變小，地面沉降最大值發(fā)生在距基坑邊約1倍開挖深度處，故施工期間應(yīng)密切關(guān)注現(xiàn)狀道路的地面沉降，防止超限。

(4)由深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)施加完第2道支撐后，基底開挖速度不宜過快；另外，為了最大限度地發(fā)揮第2道支撐的作用，可將第2道支撐適當(dāng)下移。

(5)鋼支撐施加后，支撐軸力先減小后緩慢增加；支撐最大軸力均未超過警戒值，基坑處于安全狀態(tài)。