深基坑開挖對支護(hù)結(jié)構(gòu)和臨近管涵的影響研究

成昊凌，郭 燁，陳 羽，王斌斌

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200000)

0 引言

隨著城市用地日益緊張，城市建筑群中新基坑開挖區(qū)域常處于高層建筑、綜合管道和道路密集區(qū)，開挖過程中不可避免地導(dǎo)致土體擾動，引起臨近綜合管涵產(chǎn)生附加位移，進(jìn)而導(dǎo)致管涵內(nèi)部出現(xiàn)開裂風(fēng)險[1-4]，作為隱蔽工程的綜合管涵承擔(dān)城市排水、煤氣、電纜、通信等多種功能，一旦位移較大引起破壞，會對居民生活和基坑施工造成很大影響[5]。因此如何在滿足基坑自身支護(hù)要求的情況下進(jìn)一步滿足綜合管涵安全要求至關(guān)重要。

近年來國內(nèi)對基坑開挖下的臨近建筑和管道保護(hù)有一定研究，張國慶等[6]和丁智等[7]認(rèn)為土方開挖、降水措施等因素都會引起臨近建筑產(chǎn)生位移；吳伯建等[8]認(rèn)為不同支護(hù)形式對臨近建筑的位移影響不同；王樹和等[9]利用有限元軟件發(fā)現(xiàn)懸臂樁支護(hù)下的綜合管道位移隨開挖深度逐漸增大，但側(cè)向位移明顯大于豎向位移；王樹和等[10]發(fā)現(xiàn)土釘墻支護(hù)下的基坑開挖時，臨近地下管道豎向位移明顯大于側(cè)向位移；張陳蓉等[11]基于位移控制理論，認(rèn)為板式支護(hù)體系下管線豎向和側(cè)向位移相差不大，土體和管道位移具有相關(guān)性，土體在距離基坑中部時達(dá)到最大；么夢陽[12]確定了不同抗滑樁、錨索設(shè)計參數(shù)對深基坑位移的影響；李向群等[13]對當(dāng)前開挖對地下管線的影響進(jìn)行匯總，認(rèn)為當(dāng)前模擬研究應(yīng)與工程實際具有匹配性。

綜上來看，目前研究主要集中在單一支護(hù)結(jié)構(gòu)對綜合管道的變形分析上，但在深基坑中不同支護(hù)形式和設(shè)計參數(shù)對管道以及各支護(hù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合位移影響還不充分。因此本文以甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館基坑支護(hù)工程為背景，運用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，對部分支護(hù)形式下的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和綜合管涵穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，并對所選方案進(jìn)行設(shè)計參數(shù)研究，同時與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，以便為基坑開挖中的地下綜合管涵穩(wěn)定性提供參考。

1 工程概況

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)新圖書館建設(shè)項目位于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)院內(nèi)，擬建1棟11層圖書館，基坑開挖深度介于11.8～12.5m，每層開挖深度不超過1.5～2m，整體設(shè)計采用復(fù)合土釘墻，由于基坑西南部區(qū)域為塔式起重機和綜合管涵區(qū)域，基坑局部邊坡需進(jìn)行加強設(shè)計。

根據(jù)勘探情況，基坑西南側(cè)土體分為3層，第1層為2.3m厚雜填土，第2層為9.2m厚素填土，第3層為卵石層。結(jié)合室內(nèi)試驗及原位測試結(jié)果，基坑所處土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

2 數(shù)值模型建立

基坑三維尺寸為25m×8m×17.5m，土體采用Mohr-coulomb模型，基坑土層分布如圖 1所示?；臃?層開挖，總開挖深度12.5m，單層開挖最大深度不超過2m，如圖2所示。

圖1 土層分布模型

圖2 基坑開挖模型(單位：m)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用多種設(shè)計：①設(shè)計1 掛網(wǎng)噴混凝土+錨索；②設(shè)計2 掛網(wǎng)噴混凝土+鋼樁；③設(shè)計3 掛網(wǎng)噴混凝土+錨索(間隔排布)+鋼樁；④設(shè)計4 掛網(wǎng)噴混凝土+錨索(全排排布)+鋼樁。支護(hù)示意如圖3所示，土釘墻采用shell單元、錨索采用cable單元、鋼樁和冠梁采用beam單元，部分支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 2，3所示。

圖3 基坑支護(hù)模型

表2 鋼樁、冠梁參數(shù)

表3 錨索參數(shù)

3 計算結(jié)果與分析

3.1 不同設(shè)計方案對比

3.1.1不同設(shè)計方案綜合管涵位移對比

通過對綜合管涵監(jiān)測點1，2進(jìn)行變形監(jiān)測，獲得管涵的水平和豎向位移(見圖4)。各方案的最大水平和豎向位移分別為：①方案1 57mm和60mm(開挖至第5層時失穩(wěn)嚴(yán)重，未進(jìn)行后續(xù)開挖模擬)；②方案2 42mm和36mm；③方案3 19.8mm和15.6mm；④方案4 7.8mm和4.6mm。根據(jù)GB50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[14]，方案1和方案2均超過臨近管線允許最大位移。

圖4 不同設(shè)計方案綜合管涵位移對比

隨開挖深度的增大，各方案綜合管涵位移均出現(xiàn)驟降；方案1中豎向位移大于水平位移；方案2中豎向位移與水平位移的對比存在波動性；方案3，4中豎向位移小于水平位移。綜上來看，不同支護(hù)形式中水平和豎向位移的對比區(qū)別很大，因此實際工程中要注意對管道水平和豎向位移進(jìn)行同時監(jiān)測，且在開挖過程中應(yīng)注意位移速率突增現(xiàn)象。

3.1.2不同設(shè)計方案掛網(wǎng)噴混凝土位移對比(見圖5)

根據(jù)GB50497—2019[14]表8.0.4，結(jié)合圖5a當(dāng)前深基坑結(jié)構(gòu)中僅采用掛網(wǎng)噴混凝土和預(yù)應(yīng)力錨索方案，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和深部位移無法滿足規(guī)范要求；方案2中頂部位移滿足要求，深部水平位移75mm，超過規(guī)范要求的60mm。方案3，4的頂部水平和豎向位移滿足規(guī)范要求。

圖5 不同設(shè)計方案掛網(wǎng)噴混凝土位移對比

方案2，3，4中，掛網(wǎng)噴混凝土最大側(cè)向位移集中在基坑開挖中部區(qū)域，豎向位移隨開挖深度增加逐漸增大，但抗滑樁的存在極大降低了各方案的豎向位移。

3.2 不同錨索預(yù)應(yīng)力

為進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方案，在方案3的基礎(chǔ)上，研究不同錨索預(yù)應(yīng)力對各支護(hù)變形的影響，選取預(yù)應(yīng)力大小為30，60，75，90，120，150kN。

3.2.1綜合管涵位移對比

各錨索預(yù)應(yīng)力下的綜合管涵位移如圖6所示，從圖6可得，錨索預(yù)應(yīng)力30kN時水平和豎向位移分別達(dá)到最大值：21.68mm和18.07mm，錨索預(yù)應(yīng)力180kN時水平和豎向位移分別達(dá)到最小值：17.58mm和14mm。

圖6 不同錨索預(yù)應(yīng)力下綜合管涵位移

隨著錨索預(yù)應(yīng)力的增加綜合管涵的水平和豎向位移逐漸降低，且隨預(yù)應(yīng)力的增加綜合管涵的位移增長速度逐漸降低；水平位移的相對變化幅度為22%，其中相對變化幅度=(最大值-最小值)/最小值，豎向位移相對變化幅度29%，錨索預(yù)應(yīng)力的變化并沒有顯著影響豎向位移和水平位移的比值。

3.2.2掛網(wǎng)噴混凝土位移對比

各錨索預(yù)應(yīng)力下的掛網(wǎng)噴混凝土位移如圖7所示，從圖7可得，30kN時掛網(wǎng)噴混凝土位移達(dá)到最大：深部水平位移38.78mm、頂層水平位移7.17mm、深層豎向位移0.45mm 頂層豎向位移0.7mm。180kN時位移最小：深部水平位移34.71mm、頂層水平位移4.32mm、深層豎向位移0.38mm、頂層豎向位移0.69mm。

圖7 不同錨索預(yù)應(yīng)力下掛網(wǎng)噴混凝土位移

深層水平位移相對變化幅度為12%，頂層水平位移相對變化幅度為66%。深層豎向位移相對變化幅度為18%，頂層豎向位移相對變化幅度為1%；從變化趨勢來看，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，水平位移變化較為明顯，特別是頂層水平位移相對變化幅度明顯大于深層水平位移；豎向位移數(shù)值并沒有顯著變化；各預(yù)應(yīng)力下的頂部和深層位移均滿足規(guī)范要求。

3.2.3抗滑樁位移對比

各錨索預(yù)應(yīng)力下的抗滑樁位移如圖8所示，從圖8可得，錨索預(yù)應(yīng)力30kN時水平位移分別達(dá)到最大值8.93mm、豎向位移達(dá)到最小值0.32mm，錨180kN時水平位移最小6.97mm、豎向位移達(dá)到最大值0.35mm。

圖8 不同錨索預(yù)應(yīng)力下抗滑樁位移

水平位移相對變化幅度28%，豎向位移相對變化幅度9%；隨著預(yù)應(yīng)力增大，水平位移呈線性減小趨勢，豎向位移呈線性增大趨勢。

綜上來看，錨索預(yù)應(yīng)力大小的改變，對各支護(hù)結(jié)構(gòu)相對變化幅度的影響排序為：掛網(wǎng)噴混凝土頂部水平位移(66%)>綜合管涵豎向位移(29%)>抗滑樁水平位移(28%)>綜合管涵水平位移(22%)>掛網(wǎng)噴混凝土深層豎向位移(18%)>掛網(wǎng)噴混凝土頂部水平位移(12%)>抗滑樁水平位移(9%)>掛網(wǎng)噴混凝土頂層豎向位移(1%)。此外，掛網(wǎng)噴混凝土和抗滑樁的豎向位移盡管存在相對變化幅度，但整體變化不超過1mm，絕對數(shù)值變化幅度極小。

3.3 不同抗滑樁間距

為進(jìn)一步優(yōu)化支護(hù)方案，在方案4的基礎(chǔ)上，研究不同樁間距對各支護(hù)變形的影響，選取樁間距為50，65，75，80，90，100cm。

3.3.1綜合管涵位移對比

不同樁間距下綜合管涵的位移變化如圖9所示。由圖可得對綜合管涵的位移而言，抗滑樁存在合理間距，在基坑寬度為8m，抗滑樁間距在50～75cm區(qū)間時，管涵的水平和豎向位移整體穩(wěn)定未出現(xiàn)明顯變化，當(dāng)抗滑樁間距達(dá)到80cm時，管涵位移出現(xiàn)上升趨勢，樁間距達(dá)到90cm以后，位移突然陡增。

圖9 不同抗滑樁間距下綜合管涵位移變化

樁間距為50～90cm，管涵水平和豎向位移在90cm樁間距下達(dá)到最大值27.41，15.09mm；在50cm樁間距時水平和豎向位移達(dá)到最小值7.26mm和4.22mm，水平位移相對變化幅度278%，豎向位移相對變化幅度258%。超過90cm 樁間距后綜合管涵水平和豎向位移暴增至217，112 mm。

3.3.2掛網(wǎng)噴混凝土位移對比

雞湯煨好了，我扯了把稻草，包住瓦罐，抱著就往上塆去。到了金寶屋里，他坐在山墻邊的矮凳上，頭埋在褲襠里，見我進(jìn)門，忙抬頭招呼：“她細(xì)嬸兒過來了哈?！?/p>

不同抗滑樁間距下的掛網(wǎng)噴混凝土位移如圖 10所示，從圖 10可得，在當(dāng)前基坑寬度取值8 m，抗滑樁間距位于50～75cm區(qū)間時，掛網(wǎng)噴混凝土頂層和深層位移未發(fā)生顯著變化。樁間距超過75cm后深部水平位移最先出現(xiàn)變化；樁間距達(dá)到90cm之后，各部位位移均出現(xiàn)大幅變化。樁間距90cm及以內(nèi)時，支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移較為理想。

圖10 不同抗滑樁間距下掛網(wǎng)噴混凝土位移變化

掛網(wǎng)噴混凝土的變形對樁間距敏感性存在臨界值，且深部水平位移最為敏感、其次為頂層豎向位移、深部豎向位移、頂層水平位移。

3.3.3抗滑樁位移對比

各樁間距下的抗滑樁位移如圖11所示，從圖11可得，隨著樁間距的增大抗滑樁水平和豎向位移均呈現(xiàn)上升趨勢；各樁間距下的豎向位移較小，抗滑樁整體以水平位移為主，且隨著樁間距的增大，水平位移增大趨勢呈現(xiàn)上升狀態(tài)。

圖11 不同抗滑樁間距下綜合管涵位移變化

樁間距為50cm時，抗滑樁水平和豎向位移分別達(dá)到最小值：1.32mm和0.2mm；樁間距為100cm和90cm時，抗滑樁水平和豎向位移分別達(dá)到最大值：3.1mm和0.36mm。抗滑樁水平位移相對變化幅度為135%，豎向變形相對幅度為80%?？够瑯兜乃轿灰茖堕g距變化更加敏感。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與模擬對比

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)新圖書館項目西南側(cè)基坑支護(hù)方案最終選型如圖12所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)與模擬方案3相似。

圖12 基坑西南區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖13 JC11點監(jiān)測曲線

隨著基坑開挖深度不斷加深，監(jiān)測點水平位移、豎向位移變化速率逐漸加快，位移累計值逐漸增大，開挖結(jié)束后基坑整體變形趨于穩(wěn)定，實測結(jié)果的變化趨勢與方案3的數(shù)值模擬曲線具有相似性。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部各監(jiān)測點(JC1～JC12)水平位移變化趨勢均為向基坑內(nèi)位移，其水平位移累計變形量為10.30～17.00mm，累計最大變形點為綜合管涵區(qū)域JC11監(jiān)測點，實測值為17mm，數(shù)值模擬值為19.7mm，整體變化趨勢也是向基坑內(nèi)位移。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部各監(jiān)測點(JC1～JC12)豎向位移變化趨勢均為下沉，其豎向位移累計變形量為9.7～15.1mm，JC11豎向變形實測值為13.89mm，數(shù)值模擬值為16.2mm，豎向位移變化趨也表現(xiàn)為下沉。

5 結(jié)語

1)不同支護(hù)形式的研究中，垂直開挖深基坑僅采用預(yù)應(yīng)力錨索和土釘墻無法滿足綜合管涵和支護(hù)結(jié)構(gòu)位移要求。不同支護(hù)形式的綜合管涵豎向和水平位移存在一定差異性；掛網(wǎng)噴混凝土的最大位移集中出現(xiàn)在基坑中部。

2)不同錨索預(yù)應(yīng)力下，掛網(wǎng)噴混凝土頂部水平位移、抗滑樁水平位移、綜合管涵水平位移對預(yù)應(yīng)力的改變較為敏感；錨索預(yù)應(yīng)力的改變對管涵和支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向變形絕對值影響較小。

3)不同抗滑樁間距下，在一定樁間距內(nèi)，管涵的水平和豎向位移整體穩(wěn)定未出現(xiàn)明顯變化，當(dāng)抗滑樁間距達(dá)到臨界值時，管涵位移急劇增大；掛網(wǎng)噴混凝土的變形對樁間距敏感性也存在臨界值，且深部水平位移對臨界值最為敏感；抗滑樁的水平位移對樁間距變化最敏感，隨著樁間距增大，抗滑樁的水平位移持續(xù)增大。