管廊基坑鋼支撐位置對鋼板樁變形的影響研究*

楊 碩，孔府祥，郭 楓，于東亮

(1.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

地下綜合管廊是在城市地下建造一個集電力、熱力、燃氣、給水、排水、通信等市政管線于一體的城市綜合通道，是保障城市安全、提高城市綜合承載能力的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著我國城市化水平的不斷提高，為滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的要求，近幾年全面推進地下綜合管廊建設(shè)已然成為基建熱點[1]。

針對地下綜合管廊基坑整體狹長的特點[2]，因單次基坑開挖較長，若支撐不及時，基坑長時間暴露將會導(dǎo)致基坑變形[3]，造成坑底隆起、基坑周圍土體滑移、支護結(jié)構(gòu)變形等問題[4-5]。采用“鋼板樁+內(nèi)支撐”的支護形式，不僅支護作用顯著，而且可以降低造價、節(jié)省施工空間及縮短工期[6]。但鋼板樁支護設(shè)置不當(dāng)，會導(dǎo)致支護結(jié)構(gòu)嚴重變形，支護作用失效[7]，不利于基坑穩(wěn)定。因此為了保證地下綜合管廊施工的質(zhì)量與安全性，有必要對“鋼板樁+內(nèi)支撐”支護結(jié)構(gòu)的變形特性深入探究。Rashid等[8]結(jié)合數(shù)值分析，對比Z形鋼板樁與U形鋼板樁，指出U形鋼板樁之間鎖扣的剪切阻力直接影響鋼板樁的剛度，施工時要予以重視。Xie等[9]利用有限元數(shù)值分析，對管廊基坑鋼板樁支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，指出鋼支撐水平間距是影響施工效率及安全的關(guān)鍵因素。劉陽平[10]結(jié)合實際工程，總結(jié)了鋼板樁施工流程及施工要點，論證了鋼板樁支護的高效性與經(jīng)濟性。姜天華等[11]將實際工程與數(shù)值模型相結(jié)合，研究了鋼板樁圍堰的強度和變形，發(fā)現(xiàn)鋼板樁角部周圍受力最大，提出要重點監(jiān)測鋼板樁角部的連接和中間支撐變形。楊圣峰等[12]通過數(shù)值分析模擬不同工況鋼板樁的應(yīng)力及變形情況，驗證鋼板樁與內(nèi)支撐應(yīng)力在實際工程中的適用性。駱冠勇等[13]通過對比數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果，指出鋼板樁之間存在相互滑動，影響鋼板樁的剛度與變形量，同時引入角撐結(jié)構(gòu)以優(yōu)化鋼支撐支護體系。

目前關(guān)于管廊基坑鋼板樁支護結(jié)構(gòu)的變形特性研究較少，大多數(shù)研究拘泥于施工描述與總結(jié)，未深入研究鋼板樁的受力變形特性。本文依托世園會園區(qū)外圍地下綜合管廊基坑工程，并采用有限元分析軟件建立數(shù)值模型，將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模型結(jié)合進行驗證，通過研究鋼支撐位置及水平間距對鋼板樁變形的影響，提出了“鋼板樁+內(nèi)支撐”支護體系的合理優(yōu)化建議，研究成果可為此類鋼板樁工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

世園會綜合管廊位于山間盆地南部，媯水河北岸二級階地上，屬沖、洪積平原地貌，百康路地勢東高西低，地層厚度沿線變化較小。由巖土勘察報告可知，最大勘探深度25.0m內(nèi)地層劃分為6大層，自新到老劃分為：①層粉質(zhì)黏土素填土，①1層雜填土，②層粉質(zhì)黏土，②1層黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土，③層粉質(zhì)黏土，③1層粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土，③2層黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土，④層粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土，⑤層細砂，⑥層粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土。在測水孔最大深度20.0m范圍實測到兩層地下水為上層滯水和潛水，上層滯水穩(wěn)定水位埋深為2.35 ～5.72m，含水層為②1層黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和③層細砂；潛水穩(wěn)定水位埋深為8.15～9.00m，含水層為⑤層細砂。

1.2 支護結(jié)構(gòu)形式

百康路綜合管廊位于北京市延慶區(qū)世園會外側(cè)，管廊線路全長2 500m，位于道路中央隔離帶范圍。本文研究段為K0+420—K0+460，總長40.0m，基坑開挖深度8.0m，支護結(jié)構(gòu)為“鋼板樁+內(nèi)支撐”，采用拉森Ⅳ型鋼板樁，插入深度12.0m，設(shè)置2道鋼腰梁，采用雙拼I45b，分別位于基坑0.5m處和3.0m處，鋼腰梁相應(yīng)位置設(shè)2道φ609×14鋼支撐，水平間距4.0m，第1道鋼支撐預(yù)加力100kN，第2道鋼支撐預(yù)加力200kN。工程地質(zhì)剖面如圖1所示，基坑支護橫斷面如圖2所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面

圖2 基坑支護橫斷面

2 數(shù)值模型建立

2.1 基本假定

2.1.1模型及地層參數(shù)

1)本構(gòu)模型 本文模擬巖土體的計算模型遵循莫爾-庫倫屈服準則，鋼板樁、鋼支撐及鋼腰梁的本構(gòu)均采用線彈性模型。

2)計算域 本文選取研究段為百康路綜合管廊K0+420—K0+460，基坑開挖深度為8.0m，其計算域范圍取值為：基坑開挖影響深度為3～5倍開挖深度，影響寬度也為3～5倍開挖深度[14]，因此確定所建的模型尺寸為90m×60m×45m，如圖3所示。

圖3 有限元計算模型示意

3)地層 根據(jù)工程地質(zhì)剖面以及百康路勘察報告，K0+420—K0+460研究段的地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值如表1所示。將各地層參數(shù)導(dǎo)入MIDAS GTS NX中，以實際地層標高的平均值為計算域內(nèi)各地層厚度，各地層模擬為各向同性，設(shè)置為修正莫爾-庫倫模型，采用3D混合網(wǎng)格生成六面體實體單元，進行模擬計算。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.1.2支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

1)鋼板樁 在地層中采用“析取”功能建立拉森Ⅳ型鋼板樁，插入深度12.0m，有效寬度W為400mm，有效高度h為170mm，厚度t為15.5mm。由于此鋼板樁在MIDAS GTS NX中較難模擬，因此在模擬鋼板樁時，根據(jù)單根鋼板樁剛度等效，利用式(1)，將鋼板樁等效為均質(zhì)連續(xù)的矩形鋼板，計算得h=0.112m。

(1)

式中：h為等效后的矩形鋼板厚度(m)；α為鋼板樁的剛度折減系數(shù)，一般取0.3；I為鋼板樁折減后的抗彎截面模量，拉森IV型鋼板樁的抗彎截面模量為每延米38 600cm4；b為單位寬度(m)。

2)鋼支撐 置鋼支撐兩端與地層共節(jié)點耦合，采用φ609×14鋼管，水平間距設(shè)置為4.0m。依據(jù)實際工程，將鋼支撐用1D梁單元進行模擬，建立截面為外徑0.3m、內(nèi)徑0.286m的空心鋼管。

3)鋼腰梁 在地層中“析取”鋼腰梁，采用雙拼I45b，1D梁單元模擬，截面參數(shù)為高度450mm，腿寬度152mm，腰厚度13.5mm。自上而下共設(shè)2道，分別位于基坑0.5m和3.0m處。支護結(jié)構(gòu)三維模型如圖4所示，支護結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖4 支護結(jié)構(gòu)三維模型示意

表2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.3荷載及邊界條件

1)施工荷載 ①支護結(jié)構(gòu)的重度按實際考慮，鋼重度為78.5kN/m3；②添加自重，荷載分量Gx，Gy為0，Gz為-1；③添加2道鋼支撐預(yù)應(yīng)力，選取梁單元類型，使用“集中力”功能在鋼支撐兩端模擬預(yù)加頂力，分別為100，200kN。

2)邊界條件 本次模型使用“約束”功能里的“自動約束”，考慮全部網(wǎng)格組，限制位移。

2.2 基坑開挖施工階段模擬

根據(jù)此次基坑工程實際的分層分段開挖情況，通過MIDAS GTS NX軟件中“施工階段管理”的“鈍化”功能實現(xiàn)基坑土體開挖，使用“激活”功能完成基坑開挖過程中鋼板樁、鋼支撐及鋼腰梁支護結(jié)構(gòu)的施工布設(shè)。本文模擬基坑開挖采用分層開挖法，施工階段共5個步驟，如表3所示。

表3 施工階段各步驟情況

2.3 模型與監(jiān)測結(jié)果擬合分析

本次世園會綜合管廊基坑工程施工過程中，基坑開挖卸荷使得周圍土體發(fā)生沉降變形，進而引起鋼板樁整體向坑內(nèi)的水平位移。通過鋼板樁外側(cè)以及基坑周邊布置的監(jiān)測點，分別得到鋼板樁水平位移與地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對比數(shù)值模型結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果的鋼板樁水平位移、地表沉降，驗證數(shù)值模型的可行性。數(shù)值模型計算所得鋼板樁水平位移如圖5所示，地層沉降如圖6所示。

圖5 鋼板樁水平位移云圖

圖6 地層沉降位移云圖

鋼板樁水平位移對比曲線如圖7所示，地表沉降對比如圖8所示。由圖7可知，在基坑開挖完成時，鋼板樁深層水平位移的監(jiān)測值與模擬值變化規(guī)律在基坑內(nèi)4.0～8.0m基本一致，但在基坑上部0～3.0m兩者差異較大。分析原因可能為實際施工過程中鋼腰梁未安裝牢固，現(xiàn)場鋼支撐安裝不規(guī)范[15]，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生松弛損失，從而導(dǎo)致該處水平位移的監(jiān)測值與模擬值差異較大。由圖8可知，基坑開挖完成時，地表沉降的監(jiān)測值與模擬值基本一致，存在的誤差可能為實際施工過程中施工車輛和材料堆積的影響，因兩者數(shù)值差異較小，可以近似忽略不計。

圖7 鋼板樁水平位移對比曲線

圖8 基坑開挖完成后地表沉降對比

綜合上述分析，可以確定采用MIDAS GTS NX建立的模型能夠合理反映出實際鋼板樁水平位移的變化情況，數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果基本吻合，滿足分析要求。

3 鋼支撐位置對鋼板樁變形的影響

3.1 第1道鋼支撐位置的影響

為研究第1道鋼支撐位置對鋼板樁變形的影響，在數(shù)值模型中保持第2道鋼支撐布設(shè)在基坑3.0m處的位置不變(即第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.375)，分別計算出第1道鋼支撐位于基坑0.5，1.0，1.5，2.0m處的鋼板樁水平位移(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.063，0.125，0.188，0.25)，如圖9所示。分析可知：當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.375保持不變，第1道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.063變?yōu)?.125和0.188時，在2道鋼支撐作用位置鋼板樁的水平位移減小幅度較大，2道鋼支撐以下位置(即基坑3.0m以下)隨著基坑深度增加，水平位移減小幅度逐漸降低；當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.063變?yōu)?.25時，因2道鋼支撐位置距離較近，鋼板樁水平位移隨著基坑深度增加不減反增，2道鋼支撐組合效應(yīng)無法發(fā)揮，反而使得水平位移整體增大，效益堪憂。因此，適當(dāng)降低第1道鋼支撐位置，可以相應(yīng)減小鋼板樁的水平位移，第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188時效果更好，而2道鋼支撐豎直距離較近則不利于基坑變形穩(wěn)定。

圖9 第1道鋼支撐位置對鋼板樁水平位移的影響

3.2 第2道鋼支撐位置的影響

在數(shù)值模型中保持第1道鋼支撐布設(shè)在基坑0.5m處的位置不變(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.063)，分別計算第2道鋼支撐在基坑3.0，4.0，5.0，6.0m處的鋼板樁水平位移(即第2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.375，0.5，0.625，0.75)，如圖10所示。分析可知：當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.063保持不變，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.375變?yōu)?.5和0.625時，鋼板樁最大水平位移顯著減小，其中第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5時，減小幅度為21%，而第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時，減小幅度達53%；此外，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.375變?yōu)?.625過程中，即隨著第2道鋼支撐位置的降低，基坑1.0 ～3.0m范圍內(nèi)的鋼板樁水平位移逐漸增大，此時增大幅度并不顯著。當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.375變?yōu)?.75時，雖然鋼板樁最大水平位移有所減小，但由于此時2道鋼支撐豎直距離較遠，最大水平位移位置上移，且基坑1.0～4.0m范圍內(nèi)，水平位移均顯著增大，位移曲線“弓”形明顯外擴。因此，適當(dāng)降低第2道鋼支撐的位置，則可以減小鋼板樁的水平位移，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時，作用效益最佳，而2道鋼支撐位置豎直距離較遠則不利于基坑整體變形穩(wěn)定。

圖10 第2道鋼支撐位置對鋼板樁水平位移的影響

3.3 2道鋼支撐最優(yōu)組合位置分析

綜合上述分析，可知第1道鋼支撐位于基坑0.5m處和2.0m處(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.063和0.25)基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移較大，不利于基坑整體穩(wěn)定性。因此，為探究2道鋼支撐最優(yōu)支撐組合位置，著重分析第1道鋼支撐分別位于基坑1.0，1.5m處(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.125和0.188)，第2道鋼支撐分別位于基坑3.0，4.0，5.0，6.0m處(即第2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.375，0.5，0.625，0.75)對鋼板樁水平位移的影響，如圖11所示。

圖11 2道鋼支撐最優(yōu)組合位置分析

分析可知，當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.125和0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.375和0.75，此時4種鋼支撐組合位置所發(fā)揮的支撐作用并不顯著，鋼板樁水平位移減小幅度較小。當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.125，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5和0.625兩種情況相比較，基坑4.0m以下范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時，鋼板樁水平位移顯著減小，較第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5處整體減小了近40%，但基坑4.0m以上范圍內(nèi)第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時鋼板樁水平位移卻較大，但增大并不顯著。另外，當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5和0.625兩種組合情況的鋼板樁水平位移曲線，與第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.125，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5和0.625兩種支撐組合基本一致，不同之處為此時兩種組合位置的基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均減小，位移曲線“弓”形整體向內(nèi)收縮，并且第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625的支撐組合位置發(fā)揮作用最為顯著，較最初支護設(shè)計(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.063，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.375)，基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均顯著減小，最大水平位移減小幅度達50%。因此，由上述分析得到2道鋼支撐最優(yōu)組合位置為：第1道鋼支撐位于基坑1.5m處，第2道鋼支撐位于基坑5.0m處，即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625。

3.4 鋼支撐不同水平間距的影響

本次世園會管廊基坑工程所設(shè)置的鋼支撐水平間距為4.0m，通過調(diào)整研究段內(nèi)數(shù)值模型中2道鋼支撐水平間距分別為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0m，計算得到如圖12所示的鋼支撐不同水平間距的鋼板樁水平位移曲線，以百康路基坑支護所要求的鋼支撐水平間距4.0m為基準水平間距，對比鋼支撐各水平間距對鋼板樁水平位移的影響。分析可知，隨著2道鋼支撐水平間距增大，沿基坑縱向鋼板樁支護的水平位移逐漸增大；鋼支撐水平間距減小，沿基坑縱向鋼板樁支護的水平位移也隨之減小；在基坑縱向1.0m至基坑底部8.0m之間，鋼支撐水平間距無論增大或減小，其發(fā)揮的支護作用都在逐漸減弱，鋼板樁水平位移減小最顯著的位置是在基坑1.0m處、水平間距為2.0m時減小了84%。但縱觀所有鋼支撐水平間距對鋼板樁支護水平位移的影響，以水平間距4.0m為基準，增大或減小鋼支撐水平間距所引起的鋼板樁水平位移變化并不明顯。雖然減小鋼支撐水平間距相應(yīng)變形會減小，但產(chǎn)生的收益并不高，反而會影響施工工期以及增大工程成本；而以基坑設(shè)計安全合理為前提，適當(dāng)增大鋼支撐水平間距，則可以獲得縮短工期、降低成本的收益。

圖12 鋼支撐不同水平間距的鋼板樁水平位移對比

4 結(jié)語

本文所研究內(nèi)容依托于世園會園區(qū)外百康路地下綜合管廊基坑工程，通過有限元分析軟件MIDAS GTS NX，與現(xiàn)場監(jiān)測的鋼板樁水平位移及地表沉降進行對比擬合，對管廊沿線基坑開挖過程中鋼支撐不同作用位置引起的鋼板樁支護變形進行分析探討，重點研究模擬段內(nèi)2道鋼支撐的不同支撐位置以及不同水平間距對鋼板樁支護水平位移的影響，得到如下結(jié)論。

1)通過數(shù)值模型中改變2道鋼支撐的位置，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低第1道鋼支撐位置對2道鋼支撐作用位置以下(即基坑3.0m以下)鋼板樁水平位移影響較小；而適當(dāng)降低第2道鋼支撐的位置能夠有效減小鋼板樁最大水平位移，但基坑3.0m以上范圍水平位移會逐漸增大；當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比由最初模擬設(shè)計的0.375調(diào)整為0.625，鋼板樁最大水平位移由6.73mm減小至3.56mm，減小幅度達53%。

2)鋼板樁的水平位移受2道鋼支撐的豎直距離組合位置影響，當(dāng)2道鋼支撐豎直距離較近時(即2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.25與0.375)，基坑整體范圍8.0m內(nèi)鋼板樁水平位移均略有增大，增幅較??；當(dāng)2道鋼支撐豎直距離較遠時(即兩道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.063與0.75)，鋼板樁最大水平位移位置上移，基坑5.0m以上范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均增大，且增幅甚至達到了50%～80%。因此兩道鋼支撐豎直距離較近或較遠均會引起鋼板樁水平位移的增大，不利于基坑變形穩(wěn)定。

3)針對本次管廊基坑研究段范圍內(nèi)，2道鋼支撐最優(yōu)組合位置為：第1道鋼支撐位于基坑1.5m處，第2道鋼支撐位于基坑5.0m處，即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625，此時基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均顯著減小，最大水平位移減小幅度達50%。

4)鋼板樁水平位移隨著鋼支撐水平間距的增大而逐漸增大，增幅相對較小。現(xiàn)場施工中鋼支撐水平間距為4.0m即安全合理，但因管廊基坑單次開挖較長，在基坑設(shè)計安全合理的前提下，可以適當(dāng)增大鋼支撐水平間距，以獲得縮短工期、降低工程成本的收益。