軟土地區(qū)頂管基坑開挖對(duì)高速路堤的影響分析

馬志明

（上海能源建設(shè)集團(tuán)有限公司，上海市200122）

0 引 言

伴隨城市建設(shè)進(jìn)程，區(qū)域的組團(tuán)發(fā)展對(duì)能源的需求越發(fā)強(qiáng)烈，尤其需要實(shí)現(xiàn)區(qū)域間的連通，這不僅保障能源安全，更為主干能源網(wǎng)的集中管理提供便捷。在推進(jìn)能源建設(shè)過程中，高速公路路堤往往阻礙了管網(wǎng)的順利敷設(shè)，此時(shí)常采用頂管技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源連接。近年來頂管技術(shù)發(fā)展也較為成熟[1]，然而施工前需開挖工作坑和接收坑，深基坑的開挖難免對(duì)高速公路路堤產(chǎn)生擾動(dòng)。尤其，在我國東部沿海地區(qū)大量分布著沉積相的軟土，軟土具有含水量高、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性大、敏感度高等工程特性[1]。在軟土地區(qū)開挖基坑，如果時(shí)空效應(yīng)控制不利，往往圍護(hù)變形較大，進(jìn)而危及高速公路的安全運(yùn)營。另外，高速公路的超載和路面動(dòng)荷載也影響著基坑本體的安全，基坑開挖卸載與周邊動(dòng)靜超載相互作用，使得基坑的受力和變形特性更加復(fù)雜。因此，較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)基坑開挖對(duì)高速路堤的影響對(duì)保證運(yùn)營安全有著顯著的意義。

國內(nèi)學(xué)者[2-4]針對(duì)高速鐵路受臨近深基坑開挖的影響進(jìn)行過一定的研究，但針對(duì)高速公路的影響分析鮮有提及。

本文以上海某頂管工程穿越高速公路為背景，通過建立有限元模型與基坑變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證模型合理性，進(jìn)一步預(yù)測(cè)開挖卸載與路堤超載共同作用下路堤的變形情況，供相似工程設(shè)計(jì)與施工借鑒和參考。

1 工程概況

上海某頂管工程穿越S4 高速及南橋收費(fèi)站匝道等共3 處（如圖1 所示意），頂管管道采用φ1 016×15.9 mm 鋼管。本次選擇3# 頂管對(duì)應(yīng)的工作坑和接收坑作為研究對(duì)象，工作坑開挖6.62 m，平面尺寸11.5×4.5 m，接收坑開挖深度8.13 m，平面尺寸6×4.5 m，基坑沿高速公路兩側(cè)近似對(duì)稱布置，距離高速公路約20 m。

圖1 某頂管工程下穿高速公路示意圖

根據(jù)基坑工程規(guī)范[5]，頂管工作坑安全等級(jí)為三級(jí)，接收坑安全等級(jí)為二級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)均為三級(jí)。兩處基坑均采用D650 型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)型式（如圖2 接收坑斷面所示），型鋼尺寸H500×300×13×11，插一跳一，樁長14/17 m?；迂Q向設(shè)置兩道支撐（接收坑首道僅采用混凝土圍檁），坑內(nèi)和進(jìn)出洞均采用三軸攪拌樁加固，坑內(nèi)加固深度為3 m。

圖2 接收坑圍護(hù)橫斷面示意圖（單位：mm）

基坑周邊場地標(biāo)高約4.0 m，路堤標(biāo)高約5.2 m，屬正常的軟土海相沉積區(qū)。自上而下地基土主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，即：填土、1 褐黃～灰黃色粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)黏土、1 灰色黏土。土層物理力學(xué)性質(zhì)詳見表1。

表1 場地土層物理力學(xué)性質(zhì)

場地淺部分布地下水為潛水類型，水位變化主要受控于大氣降水、地面蒸發(fā)及地表水的補(bǔ)給與調(diào)節(jié)，主要補(bǔ)給來源為大氣降水和周邊河道。潛水位埋深一般為地表下0.5～1.3 m，年平均地下水位為地表下0.5～0.7 m，平均水位標(biāo)高3.30 m。設(shè)計(jì)高水位0.5 m、低水位1.5 m。本次基坑工程不涉及承壓水突涌問題。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

采用大型有限元計(jì)算軟件PLAXIS2D 建立頂管工作坑、接收坑、高速公路路堤及周邊土體的數(shù)值模型，網(wǎng)格劃分見圖3。為減小有限元模型的邊界效應(yīng)，模型取寬160 m，高70 m。整個(gè)模型底部約束豎向位移，兩側(cè)約束水平位移。

圖3 有限元模型

PLAXIS 2D 程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一款功能強(qiáng)大的通用巖土有限元計(jì)算軟件，已廣泛應(yīng)用于基坑與周邊環(huán)境相互影響、盾構(gòu)隧道與周邊既有構(gòu)建筑相互作用、軟土滲流固結(jié)分析、地下建筑抗震性能分析等各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析。PLAXIS 系列程序具有專業(yè)、高效、強(qiáng)大、穩(wěn)定等特點(diǎn)，逐漸成為巖土工程界不可或缺的數(shù)值分析工具。

本模型中土體簡化為水平向均質(zhì)，單元采用多節(jié)點(diǎn)（n=15）的平面應(yīng)變單元來模擬，其力學(xué)模型采用Hardening-Soil 模型，土層物理力學(xué)參數(shù)取值按照表1 選取，其他參數(shù)按照表2 選取?；庸こ套畹湫偷牧W(xué)行為即為卸載，Hardening-Soil 模型能夠較好的模擬這一力學(xué)行為[6]。型鋼水泥土攪拌墻圍護(hù)根據(jù)剛度等效原則進(jìn)行折減，采用板單元模擬。板單元與土體設(shè)置接觸單元模擬結(jié)構(gòu)與土的共同作用。支撐采用彈性桿來模擬，剛度根據(jù)間距進(jìn)行折減計(jì)算。高速公路超載按照基坑周邊設(shè)計(jì)靜載的1.3 倍，即26 kPa 考慮。地下水位為-0.5 m，但不考慮滲流作用。

表2 各土層參數(shù)選取值

2.2 施工模擬

模擬基坑開挖施工過程需采用分步計(jì)算，主要計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算土體在自重作用下產(chǎn)生得初始地層應(yīng)力；

（2）開挖工作坑，激活工作坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元，分步殺死坑內(nèi)的土體單元和激活對(duì)應(yīng)支撐，并考慮地下水位的變化；

（3）開挖接收坑，激活接收坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元，分步殺死坑內(nèi)的土體單元和激活對(duì)應(yīng)支撐，并考慮地下水位的變化。

3 影響分析

工作坑開挖后，基坑周邊地表最大沉降約-10.63 mm，發(fā)生在基坑邊4 m，為基坑開挖深度0.6倍，此時(shí)高速路堤最大沉降幾乎為0.5 mm（如圖4 所示）。圖5 為工作坑周邊側(cè)向變形云圖，圍護(hù)最大變形19.8 mm 發(fā)生在深度約5.1 m，高速路向基坑方向發(fā)生側(cè)移0.5 mm。工作坑距離高速路堤堤腳約21 m（3.2 倍開挖深度），此時(shí)接收坑開挖對(duì)高速公路造成的影響非常微弱。

圖4 工作坑開挖后土體沉降云圖（單位：mm）

圖5 工作坑開挖后土體側(cè)移云圖（單位：mm）

接收坑開挖后，基坑周邊地表最大沉降約-20.5 mm，發(fā)生在基坑邊5 m，為基坑開挖深度0.62倍，高速路堤最大沉降-2 mm，發(fā)生在近接收坑的路肩（如圖6 所示）。圖7 為周邊側(cè)向變形云圖，圍護(hù)最大變形34.4 mm，發(fā)生在深度約7 m，高速路向接收坑方向發(fā)生最大側(cè)移4.5 mm，位于坡腳。接收坑距離高速路堤堤腳約21 m（2.6 倍開挖深度），此時(shí)工作坑開挖對(duì)高速公路造成了5 mm 以內(nèi)的影響。

圖6 接收坑開挖后土體沉降云圖（mm）

圖7 接收坑開挖后土體側(cè)移云圖（mm）

把工作坑和接收坑的圍護(hù)變形數(shù)據(jù)與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可見（如圖8 所示），圍護(hù)變形規(guī)律較為相似，最大變形數(shù)據(jù)差值約13%，表明數(shù)值模型具有一定的可信度。

圖8 基坑圍護(hù)變形計(jì)算值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 整體分析

基坑圍護(hù)變形較大值發(fā)生在坑底附近，其變形規(guī)律與類似經(jīng)驗(yàn)較一致。通過數(shù)值模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，規(guī)律相似度較高，模型具有一定的參考價(jià)值。

當(dāng)接收坑開挖后，路堤側(cè)向變形最大值均發(fā)生在臨近基坑側(cè)的坡腳處，沉降最大值發(fā)生在硬路肩位置。

基坑開挖卸載與高速公路超載共同作用時(shí)，其變形形態(tài)主要受控于開挖工況。工作坑距離路堤坡腳大于3 倍開挖深度，路堤的變形非常微弱，可忽略。接收坑距離路堤坡腳2.6 倍開挖深度，路堤有了明顯的變形。因此，基坑與路堤坡腳的間距是影響路堤變形的關(guān)鍵因素。建設(shè)條件允許時(shí)，基坑距離高速坡腳的距離宜控制在3 倍開挖深度以上。

5 結(jié) 論

借助上海某頂管工程下穿高速公路項(xiàng)目，通過建立有限元模型分析基坑開挖對(duì)高速路堤的影響，主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，變形規(guī)律基本相似，最大數(shù)值偏差在13%以內(nèi)，模型具有一定的參考價(jià)值。

（2）工作坑距離路堤坡腳大于3 倍開挖深度，基坑與路堤荷載相互作用下，路堤的變形非常微弱，可忽略。接收坑距離路堤坡腳2.6 倍開挖深度，基坑與路堤荷載相互作用下，路堤有了明顯的變形。

（3）路堤側(cè)向變形最大值均發(fā)生在臨近基坑側(cè)的坡腳處，沉降最大值發(fā)生在硬路肩位置。建設(shè)條件允許時(shí)，基坑距離高速坡腳的距離宜控制在3 倍開挖深度以上，當(dāng)基坑距離路堤小于3 倍開挖深度時(shí)，建議硬路肩做適當(dāng)坡面防護(hù)等加強(qiáng)措施。