深基坑施工期周邊防汛設(shè)施的安全預(yù)警指標(biāo)研究

王建敏，曹友為

(1.許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000；2.上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200093)

0 前 言

2020年7月，針對(duì)防汛救災(zāi)工作，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)會(huì)議強(qiáng)調(diào)，要全面提高災(zāi)害防御能力，堅(jiān)持以防為主、防抗救相結(jié)合，把重大工程建設(shè)、重要基礎(chǔ)設(shè)施補(bǔ)短板、城市內(nèi)澇治理、加強(qiáng)防災(zāi)備災(zāi)體系和能力建設(shè)等納入“十四五”規(guī)劃中統(tǒng)籌考慮。為了提高城市的防災(zāi)防澇能力，增加堤防、河道、排水管道等新建項(xiàng)目固然重要，但已建防汛設(shè)施的日常維護(hù)同樣不可或缺。目前基坑工程事故可分為兩大類(lèi)[1-2]：一是圍護(hù)體系失穩(wěn)產(chǎn)生破壞[3]，二是圍護(hù)體系變形過(guò)大，致使周?chē)芫€、建(構(gòu))筑物產(chǎn)生破壞[4]。若基坑周?chē)鷽](méi)有防汛設(shè)施，圍護(hù)體系變形大一點(diǎn)是允許的，但影響范圍內(nèi)有防汛設(shè)施，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形要求就應(yīng)更嚴(yán)格[5]。如果在汛期出現(xiàn)事故，可能引起內(nèi)澇，嚴(yán)重的可能造成生命及財(cái)產(chǎn)損失[6]。基于工程地質(zhì)資料，對(duì)深基坑開(kāi)挖引起的防汛管線變形進(jìn)行數(shù)值模擬，分析防汛管線本身的安全性，在部分地區(qū)已得到應(yīng)用[7]，但通常都是后評(píng)價(jià)，對(duì)施工過(guò)程中預(yù)警指標(biāo)的定量研究較少。因此，本文在基坑工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，基于有限元數(shù)值模擬和相關(guān)規(guī)范，引入綜合確定洞室開(kāi)挖的安全預(yù)警指標(biāo)[8]，在深基坑工程施工過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)提前給出的安全預(yù)警指標(biāo)予以修正[9]，從而更好地指導(dǎo)深基坑施工。

1 工程概況

上海奉賢某公司辦公樓項(xiàng)目，主要建設(shè)內(nèi)容包括1棟15層辦公樓及地下車(chē)庫(kù)(地下2層)等建(構(gòu))筑物。本工程地下2層，基坑開(kāi)挖深度為9.40 m，該基坑呈類(lèi)正方形，基坑周長(zhǎng)約238 m，開(kāi)挖面積約3 500 m2?；影踩燃?jí)二級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)二級(jí)。本工程基坑圍護(hù)采用SMW工法擋土止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)+兩道鋼筋混凝土支撐，根據(jù)《上海市地下公共工程建設(shè)防汛影響專(zhuān)項(xiàng)論證管理暫行辦法》中第三條規(guī)定施工期間4倍地下車(chē)庫(kù)開(kāi)挖深度范圍(37.6 m)內(nèi)重要防汛設(shè)施為：南側(cè)南奉公路下的DN1 000～1 200 mm雨水管。

2 防汛管線預(yù)警指標(biāo)研究現(xiàn)狀

深基坑施工過(guò)程中各監(jiān)測(cè)指標(biāo)的報(bào)警值在《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50497-2019)中規(guī)定：基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)預(yù)警值應(yīng)根據(jù)基坑設(shè)計(jì)安全等級(jí)、設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果等因素確定。當(dāng)沒(méi)有當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)時(shí)，土質(zhì)基坑周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警值，對(duì)于剛性非壓力管道累計(jì)值可取10～30 mm，變化速率可取2 mm/d；對(duì)于柔性管線累計(jì)值可取10～40 mm，變化速率可取3～5 mm/d。

雖然規(guī)范中關(guān)于基坑周邊管線的預(yù)警值做了規(guī)定，但是并未針對(duì)不同類(lèi)型、不同尺寸的不同地質(zhì)情況下做出明確規(guī)定，動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中，需要分級(jí)預(yù)警，所以可以探索數(shù)值模擬的方法，針對(duì)具體基坑工程，管線位置、尺寸、材質(zhì)等進(jìn)行數(shù)值分析，預(yù)測(cè)其最終變形量及某級(jí)預(yù)警指標(biāo)。

3 防汛管線預(yù)警指標(biāo)的確定

基坑工程對(duì)鄰近防汛設(shè)施的影響主要在施工期，施工期圍護(hù)墻位移和基坑坑底隆起，引起基坑外土體損失，從而引起地面沉降，影響周邊建筑物及防汛設(shè)施安全。經(jīng)過(guò)多次試算，采用以下支護(hù)方案，南奉公路下的DN1 000～1 200 mm雨水管的數(shù)值計(jì)算結(jié)果能滿(mǎn)足規(guī)范要求：3Φ850@1200三軸攪拌樁止水，內(nèi)插HN700×300×13×24型鋼(L=22.0 m，@1 200)擋土，第一道鋼混凝土支撐中心線標(biāo)高-2.900 m(支撐截面800 mm×800 mm)，第二道鋼混凝土支撐中心線標(biāo)高-6.900 m(支撐截面900 mm×800 mm)。

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)圖，對(duì)計(jì)算剖面簡(jiǎn)化分析，建立平面有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，實(shí)際土層和地表起伏不大，簡(jiǎn)化為水平土層，土層參數(shù)來(lái)自勘察報(bào)告中室內(nèi)試驗(yàn)，剛度參數(shù)采用Es，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以修正；強(qiáng)度參數(shù)采用固結(jié)剪切試驗(yàn)參數(shù)并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以修正。水力條件根據(jù)潛水位生成靜水壓力，作為一個(gè)體力施加在土骨架上，外荷載簡(jiǎn)化為均布等效荷載。

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

計(jì)算結(jié)果分析通過(guò)模型計(jì)算，基坑開(kāi)挖至基底時(shí)的水平位移與豎向位移如圖1～2。通過(guò)基坑開(kāi)挖至坑底的變形云圖知，基坑開(kāi)挖引起墻后沉降近似為凹槽型曲線。理論上，基坑開(kāi)挖施工對(duì)周邊防汛設(shè)施的位移影響如表1中數(shù)值計(jì)算結(jié)果。

圖1 開(kāi)挖至坑底豎直位移云圖

圖2 開(kāi)挖至坑底水平位移云圖

表1 基坑開(kāi)挖施工期周邊防汛設(shè)施預(yù)警指標(biāo)

3.3 確定防汛管線預(yù)警指標(biāo)

考慮數(shù)值計(jì)算結(jié)果，工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范要求，DN1 000～1 200 mm雨水管作為重要的防汛設(shè)施，如果遭到破壞，到汛期可能造成較大影響，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終確定該深基坑施工方案下，防汛設(shè)施預(yù)警指標(biāo)未超過(guò)規(guī)范規(guī)定的下限，滿(mǎn)足工程安全要求。兩條給水管DN500管徑較小，且為柔性管道，故其預(yù)警指標(biāo)可以制定的稍微寬松些，但施工過(guò)程中一定要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，密切關(guān)注監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化。

1)變形量安全預(yù)警指標(biāo)的確定，如果數(shù)值計(jì)算結(jié)果大于規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值，則取數(shù)值計(jì)算結(jié)果作為一級(jí)預(yù)警指標(biāo)，二級(jí)預(yù)警指標(biāo)取規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值和數(shù)值計(jì)算結(jié)果70%中的小值作為預(yù)警指標(biāo)。如果數(shù)值計(jì)算結(jié)果小于規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值，則取規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值作為一級(jí)預(yù)警指標(biāo)，二級(jí)預(yù)警指標(biāo)取數(shù)值計(jì)算結(jié)果和規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值70%中的小值作為預(yù)警指標(biāo)。

2)變形速率預(yù)警指標(biāo)的確定，數(shù)值計(jì)算無(wú)法考慮時(shí)間效應(yīng)，故根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范確定，一級(jí)預(yù)警指標(biāo)取規(guī)范中預(yù)警值上限，二級(jí)取規(guī)范中預(yù)警值下限和上限的70%中的小值作為預(yù)警指標(biāo)。

3)定性預(yù)警指標(biāo)依據(jù)規(guī)范確定，當(dāng)基坑周邊管線變形突然明顯增長(zhǎng)或出現(xiàn)裂縫、泄漏時(shí)，必須立即進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警，并采取應(yīng)急措施。

4 結(jié) 論

應(yīng)用有限元軟件PLAXIS建立了數(shù)值模型，實(shí)現(xiàn)了較好的仿真模擬。依據(jù)相關(guān)規(guī)范、工程實(shí)例，并結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)深基坑工程施工期防汛設(shè)施的安全預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行了定性和定量研究，以供深基坑設(shè)計(jì)階段即考慮周邊的防汛設(shè)施的安全穩(wěn)定，制定施工方案，更好地保護(hù)防汛設(shè)施，在施工期也可以根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和新的地質(zhì)資料調(diào)整計(jì)算模型，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)警指標(biāo)，以期實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及信息化施工。

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