劉瑞軍

(中鐵十六局集團(tuán)置業(yè)投資有限公司 北京 100018)

1 引言

近年來，隨著國(guó)家加大對(duì)地下空間的開發(fā)力度，尤其是在建設(shè)新城時(shí)，綜合管廊的應(yīng)用越來越廣泛。綜合管廊是在城市地下建造一個(gè)隧道空間，將水、電、氣系統(tǒng)等統(tǒng)一管理，是城市管線系統(tǒng)中非常重要的組成部分[1]。與此同時(shí)，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，地下空間得到大規(guī)模開發(fā)，基坑開挖的深度和范圍不斷擴(kuò)大，其對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響尤其是在變形方面受到諸多學(xué)者及工程實(shí)踐人員的關(guān)注[2-3]。

眾所周知，基坑開挖本質(zhì)上是一個(gè)不斷卸載的過程，期間土體內(nèi)應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，使得基坑周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生變形甚至是破壞[4]，同時(shí)引起基坑周圍地表沉陷，從而對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響[5]，如鄰近建筑傾斜、道路開裂、綜合管廊等地下管線變形等[6-7]。深基坑工程中鄰近綜合管廊發(fā)生變形不僅與綜合管廊自身抵抗變形的能力有關(guān)[8]，還與基坑開挖深度或坑體的開挖卸載量有關(guān)[9-10]。土體本身的初始平衡被打亂是變形產(chǎn)生的最終原因[11]，使得基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)致綜合管廊與土體一起隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)變形[12]。由于綜合管廊在國(guó)內(nèi)尚未得到大范圍推廣，以往的研究主要集中在基坑開挖對(duì)鄰近管線的影響，較少涉及對(duì)鄰近綜合管廊的影響。因此，探究深基坑工程對(duì)周邊城市地下綜合管廊的影響并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案顯得尤為重要。

2 工程概況

某深基坑面積約28 450 m2，周長(zhǎng)約662 m。場(chǎng)地內(nèi)自然地面標(biāo)高為＋7.10～8.40 m，坑底標(biāo)高為-8.10～12.00 m，開挖深度20.0 m。根據(jù)本工程的項(xiàng)目情況以及工程周邊環(huán)境要求，確定本基坑工程側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為1年。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及分析

(1)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

施工監(jiān)測(cè)需及時(shí)、準(zhǔn)確、全面反映既有結(jié)構(gòu)物的變形情況。通過系統(tǒng)、連續(xù)、完整的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析既有綜合管廊的變形量和穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為綜合管廊的表層水平位移和豎向沉降。

(2)結(jié)果分析

如圖1所示，負(fù)值表示向基坑內(nèi)側(cè)位移，綜合管廊上方土體表層水平位移情況為隨著基坑的開挖逐漸增大，且始終朝向基坑內(nèi)側(cè)?；娱_挖后綜合管廊表層水平位移迅速增加，且變化速度趨于一致，綜合管廊在水平方向上逐漸向基坑內(nèi)側(cè)偏移。

圖1 累計(jì)表層水平位移變化曲線

圖2為綜合管廊結(jié)構(gòu)豎向位移隨基坑開挖變化曲線。圖中A側(cè)和B側(cè)為管廊內(nèi)部距基坑較近和較遠(yuǎn)的兩處測(cè)點(diǎn)。由圖2可知，A、B側(cè)豎向位移變化趨勢(shì)和速度基本一致，第三層開挖結(jié)束時(shí)管廊A側(cè)最終累計(jì)豎向位移約為2.6 mm，管廊B側(cè)最終累計(jì)豎向位移約為2.8 mm，管廊B側(cè)最終累計(jì)豎向位移略大于A側(cè)。

圖2 綜合管廊結(jié)構(gòu)累計(jì)豎向位移變化曲線

4 數(shù)值模擬

4.1 有限元模型

在進(jìn)行ABAQUS數(shù)值模擬時(shí)，由于該基坑面積大、開挖深，且可近似為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為二維模型，取1/2基坑斷面進(jìn)行分析。南側(cè)基坑邊線距綜合管廊最近點(diǎn)距離為12 m，最終模型總長(zhǎng)度取200 m，總寬度取45 m。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的雙排鉆孔灌注樁和鋼筋混凝土內(nèi)支撐選用C35混凝土材料，鄰近綜合管廊采用C35級(jí)混凝土，其支撐結(jié)構(gòu)混凝土管樁采用C40級(jí)混凝土。各材料參數(shù)取值如表1所示，其余參數(shù)按地勘報(bào)告結(jié)果輸入。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及綜合管廊物理力學(xué)參數(shù)

建立模型時(shí)，首先要平衡初始地應(yīng)力，否則荷載加在土體上以后土體會(huì)產(chǎn)生很大變形。地應(yīng)力為起初已存在的力，綜合考慮各種地應(yīng)力平衡方法，最終采用了odb導(dǎo)入法以便于收斂，即一開始只加荷載，不設(shè)置預(yù)定義場(chǎng)，得到一個(gè)初始應(yīng)力場(chǎng)，再將其導(dǎo)入預(yù)定義場(chǎng)，創(chuàng)建新的作業(yè)進(jìn)行分析。通過初始位移場(chǎng)平衡初始地應(yīng)力，結(jié)果由位移云圖反映。初始地應(yīng)力平衡后整個(gè)模型變形云圖見圖3。從結(jié)果看，最高有3.4 mm的變形，為了消除初始位移的影響，需要采用工具-創(chuàng)建場(chǎng)輸出-來自場(chǎng)等命令，創(chuàng)建一個(gè)目標(biāo)位移場(chǎng)減去初始位移場(chǎng)的表達(dá)式，減去初始位移場(chǎng)后的結(jié)果可在臨時(shí)分析步session step中查看。

圖3 初始地應(yīng)力平衡后模型位移云圖(單位:m)

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果

為了判斷所建模型是否合理，對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其中實(shí)測(cè)值中表層水平位移是在基坑開挖前兩層時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，因此所取數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與之相對(duì)應(yīng)，對(duì)比結(jié)果見圖4。

圖4 綜合管廊表層水平位移實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比曲線

由圖4可知:隨著基坑的開挖，水平位移逐漸增大，且朝向基坑內(nèi)側(cè)偏移，模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致。綜合管廊上方土體表層水平位移實(shí)測(cè)值為-8.60 mm，朝向基坑內(nèi)側(cè)，模擬值為-10.60 mm，兩者相差為2 mm。實(shí)測(cè)值與模擬值出現(xiàn)差異的原因在于數(shù)值模擬過程中進(jìn)行了一系列的等效簡(jiǎn)化處理，比較關(guān)鍵的問題是沒有考慮降水的作用，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)基坑放置不開挖時(shí)綜合管廊仍在沉降，與降水過程密切相關(guān)。在豎向位移方面規(guī)律與之類似，此處不再贅述。總體上模擬值與實(shí)測(cè)值相差不大，可以認(rèn)為本文數(shù)值模擬的合理和有效性。

5 變形影響因素及優(yōu)化控制措施

5.1 支護(hù)樁樁長(zhǎng)影響

在基坑開挖過程中，圍護(hù)樁起到了減小變形的作用，本節(jié)分析基坑開挖在支護(hù)樁樁長(zhǎng)不同的幾種工況下管廊最大水平位移和豎向位移的變化規(guī)律。共設(shè)定三種工況:支護(hù)樁樁長(zhǎng)30 m、35 m和40 m，采用三種不同樁長(zhǎng)的支護(hù)樁時(shí)綜合管廊變形最大處的水平位移見圖5。

圖5 不同支護(hù)樁樁長(zhǎng)時(shí)綜合管廊最大水平位移

隨著支護(hù)樁樁長(zhǎng)增加，綜合管廊的最大水平位移逐漸減小，當(dāng)支護(hù)樁樁長(zhǎng)從30 m增加到40 m時(shí)，綜合管廊水平位移的最大值分別為17.73 mm、15.65 mm、14.97 mm，總位移差值為2.76 mm。

如6所示，在支護(hù)樁樁長(zhǎng)變化時(shí)，綜合管廊的最大豎向位移和水平位移變化規(guī)律基本一致，當(dāng)支護(hù)樁樁長(zhǎng)從30 m增加到40 m時(shí)，綜合管廊豎向位移的最大值分別為3.21 mm、1.85 mm、1.19 mm，變化率分別為55.5%、73.5%，總位移差值為2.02 mm?？梢娭ёo(hù)樁樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，綜合管廊的豎向變形越小。

圖6 不同支護(hù)樁樁長(zhǎng)時(shí)綜合管廊最大豎向位移

5.2 綜合管廊基礎(chǔ)樁樁長(zhǎng)影響

基于本工程綜合管廊結(jié)構(gòu)豎向位移較小，初步推測(cè)原因是管廊基礎(chǔ)樁的作用，本節(jié)通過改變綜合管廊基礎(chǔ)樁樁長(zhǎng)來研究其對(duì)綜合管廊變形的影響。共設(shè)定四種工況:綜合管廊基礎(chǔ)樁樁長(zhǎng)12 m、16 m和20 m以及管廊無基礎(chǔ)樁。四種不同工況下綜合管廊的最大水平位移曲線見圖7。管廊基礎(chǔ)樁對(duì)綜合管廊水平位移的影響較小，四種工況下綜合管廊水平位移的最大值分別為15.63 mm、15.65 mm、15.85 mm、15.61 mm，差值幾乎可以忽略不計(jì)。

圖7 不同基礎(chǔ)樁樁長(zhǎng)時(shí)綜合管廊最大水平位移

圖8 不同基礎(chǔ)樁樁長(zhǎng)時(shí)綜合管廊最大豎向位移

圖8為管廊基礎(chǔ)樁在不同樁長(zhǎng)以及管廊無基礎(chǔ)樁條件下鄰近綜合管廊最大豎向位移的變化曲線。結(jié)果表明，綜合管廊的豎向位移更容易受到管廊基礎(chǔ)樁的影響，水平位移則不明顯。管廊樁長(zhǎng)逐漸減小時(shí)，綜合管廊的最大豎向位移逐漸增大，四種工況下綜合管廊豎向位移的最大值分別為1.80 mm、1.85 mm、1.89 mm、3.40 mm，有無基礎(chǔ)樁兩種情況下最大豎向位移相差1.60 mm，變化率為88.9%?？梢姽芾仍诓捎脴痘A(chǔ)的情況下，其豎向位移會(huì)相對(duì)較小。

5.3 優(yōu)化控制措施

(1)增大支護(hù)樁的樁長(zhǎng)，能夠減小鄰近綜合管廊的變形，且效果較為顯著。因此在實(shí)際工程中采用排樁支護(hù)時(shí)，條件允許可考慮將支護(hù)樁加長(zhǎng)。

(2)管廊基礎(chǔ)樁可以有效限制綜合管廊的豎向位移，但對(duì)水平位移影響不大。故對(duì)豎向變形要求嚴(yán)格時(shí)，管廊可以采用樁基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于采用樁基礎(chǔ)的綜合管廊，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其水平方向的變形。

分別從支護(hù)樁樁長(zhǎng)及管廊基礎(chǔ)樁的樁長(zhǎng)為出發(fā)點(diǎn)提出優(yōu)化方案:在開挖時(shí)支護(hù)采用排樁形式施工的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)不宜太??；管廊基礎(chǔ)樁可以有效限制綜合管廊的豎向位移，當(dāng)土質(zhì)較容易產(chǎn)生沉降時(shí)，綜合管廊適合采用樁基礎(chǔ)，且應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況采用適當(dāng)?shù)臉堕L(zhǎng)。

6 結(jié)論

(1)隨著基坑開挖深度的增加，綜合管廊上方土體的表層水平位移越來越大，且朝向基坑內(nèi)側(cè)；沉降也越來越大，且距基坑較近與較遠(yuǎn)一側(cè)最終豎向位移略有差異。

(2)鄰近綜合管廊的變形量與基坑的開挖深度關(guān)系密切，開挖深度的增加會(huì)導(dǎo)致管廊的水平位移與豎向位移同步增大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律類似。

(3)在采用以排樁形式施工的鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，增加支護(hù)樁的長(zhǎng)度，可以有效減小鄰近綜合管廊水平方向和豎直方向的位移。綜合管廊的基礎(chǔ)樁對(duì)限制管廊的豎向位移效果較明顯，對(duì)水平位移影響不大；增加管廊基礎(chǔ)樁的樁長(zhǎng)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)綜合管廊的豎向位移會(huì)小幅減小，抗變形效果不太明顯。