王 扉 吳旗悅步 黃立勇 岳文才

（1.廣東順德中心城區(qū)投資開發(fā)有限公司，廣東 佛山 528322；2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

地下綜合管廊在城市基礎(chǔ)設(shè)施投資建設(shè)方面越來越受到重視，僅2018年全國就有在建綜合管廊項(xiàng)目455個(gè)，總投資約4000億元。明挖基坑是地下綜合管廊施工比較常見的方式，地下綜合管廊明挖基坑一般為深基坑（基坑深度大于5m），屬于危險(xiǎn)性超過一定規(guī)模的工程，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證基坑施工安全的重中之重。鋼板樁基坑支護(hù)為常見的基坑支護(hù)形式，具有施工便捷、可重復(fù)利用、經(jīng)濟(jì)效益高等特點(diǎn)。

因此，本文依托佛山市順德區(qū)某地下綜合管廊，對地下綜合管廊明挖基坑鋼板樁支護(hù)進(jìn)行整體穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性、流土穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎性能、嵌固深度和土反力等方面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行分析，對不同軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 工程概況與工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

佛山順德某K0+400~K0+452段地下綜合管廊全52m，劃分為3個(gè)節(jié)段；單倉結(jié)構(gòu)，外輪廓尺寸為4.9m×5.7m長，內(nèi)輪廓尺寸為3.8m×4.6m，頂板、底板及側(cè)墻厚度均為0.55m，基坑深度在9.04m~9.20m之間，基坑寬度7.7m。全段采用鋼板樁+鋼支撐支護(hù)體系，鋼板樁為IV型拉森鋼板樁，長度24m。鋼管支撐采用Φ 520×12，鋼管支撐水平中心間距為4m，鋼材采用Q235鋼。根據(jù)基坑深度和管廊結(jié)構(gòu)設(shè)置三道鋼支撐，第一道鋼支撐水平中心線在管廊坑頂標(biāo)高下0.5m處，第二道鋼支撐水平中心線在第一道鋼支撐下2.5m處，第三道鋼支撐水平中心線在第二道鋼支撐下2m處?；臃秶鷥?nèi)有水泥攪拌樁加固，加固深度為3m。H500×300×11×18雙拼工字鋼腰梁。

1.2 工程地質(zhì)條件

工程場地位于珠江三角洲沖積平原腹地，沿線地形較為平整，整平后場地標(biāo)高為1.3m。根據(jù)本工程地質(zhì)勘探報(bào)告顯示，本場地地基土由人工填土層、第四系沖積層、第四系殘積層組成，基底巖石為早奧陶世混合花崗巖類風(fēng)化基巖，風(fēng)化基巖埋蔵深淺不一。工程地質(zhì)縱斷面共分主層7層，依次是：①填土層，②淤泥質(zhì)土層，③粉砂層，④中粗砂層，⑤粉質(zhì)黏性土層，⑥透鏡體亞層，⑦粉質(zhì)黏土層。最不利鉆孔各土層參數(shù)見表1。

表1 各土層參數(shù)表

根據(jù)本工程地質(zhì)勘查資料，本場地地下水主要分為上下兩層，上層為第四系沖積層的松散孔隙水，下層為基巖裂隙水。松散孔隙水含水層為第③層粉砂及第④層中粗砂，屬于中等甚至強(qiáng)透水性，場地分布范圍廣泛，且累計(jì)厚度較大，故水量豐富，初見水位埋深在0.5m~3.0m。

2 綜合管廊深基坑設(shè)計(jì)分析和優(yōu)化

2.1 單元計(jì)算

2.1.1 參數(shù)設(shè)定

使用理正深基坑7.0進(jìn)行基坑單元計(jì)算，按照設(shè)計(jì)要求基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)為三級(jí)。支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0為1.0，基坑計(jì)算深度為9.2m，基坑外側(cè)水位深度取值為1m，基坑內(nèi)部降水為基坑底面下1m?；觾蓚?cè)有均布超載，取值為20kPa?；涌拥准庸倘≈狄姳?。整體計(jì)算方法為條分法，土條寬度取值為0.4m，剛度折減系數(shù)K取值為0.85，按設(shè)計(jì)要求開挖至每道支撐下方0.5m處后即進(jìn)行圍檁和支撐安裝。

表2 人工加固土參數(shù)表

2.1.2 穩(wěn)定性計(jì)算

整體穩(wěn)定性方面：滑裂面圓弧半徑R為24.269m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks為1.305，大于1.30，滿足規(guī)范要求。

抗隆起穩(wěn)定性方面：如果按從支護(hù)底部開始，逐層驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性，Ks為2.866，大于1.60，抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求；如果坑底抗隆起按以最下層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的圓弧條分法計(jì)算，Ks為2.29，大于1.90，坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

流土穩(wěn)定性方面：根據(jù)基坑安全等級(jí)，Kf（流土穩(wěn)定性安全系數(shù)）取值1.50。現(xiàn)計(jì)算得到K值為4.07，大于1.50，滿足規(guī)范要求。

2.2 整體計(jì)算

使用理正深基坑7.0進(jìn)行整體計(jì)算，計(jì)算場景為基坑開挖至坑底后。設(shè)三道Φ520×12鋼支撐和H500×300×11×18雙拼工字鋼腰梁。支撐橫向和縱向布置間距按照設(shè)計(jì)要求并采用全有限元方法計(jì)算，其余參數(shù)設(shè)定與單元計(jì)算一致?；诱w最大位移和鋼板樁最大位移分別出現(xiàn)在第三道支撐上方和第三道支撐處，與單元計(jì)算結(jié)果趨勢接近，但是數(shù)值上面差異較大，整體位移最大值和鋼板樁位移（垂直基坑方向）均小于單元計(jì)算值。

3 比較和總結(jié)

理正深基坑計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)基本符合，基坑監(jiān)測基坑頂部水平位移最大值為19.78mm，介于單元計(jì)算和整體計(jì)算結(jié)果之間。理正計(jì)算結(jié)果中最大彎矩主要是為了驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，而這一內(nèi)容不在基坑監(jiān)測要求的范圍內(nèi)（監(jiān)測內(nèi)容主要有基坑頂部水平位移、基坑頂部豎向位移、深層水平位移、地下水位、周邊建筑物沉降、地下管線沉降、支撐內(nèi)力和周邊地表裂縫）?；颖O(jiān)測支撐內(nèi)力最大處發(fā)生在基坑開挖至設(shè)計(jì)底標(biāo)高時(shí)的第三道支撐處，結(jié)果整體上與理正結(jié)果相符，但是數(shù)值上均大于單元計(jì)算和整體計(jì)算的輸出，主要原因在于：理正采用的空間土抗力法無法考慮周邊建筑荷載與施工荷載對基坑的影響，因?yàn)椴荒茉O(shè)置土單元，也無法添加周邊荷載。由此可以得出結(jié)論，理正單元計(jì)算和整體計(jì)算在管廊基坑鋼板樁支護(hù)設(shè)計(jì)中可以作為計(jì)算軟件使用。

4 結(jié)語

理正單元計(jì)算和整體計(jì)算的區(qū)別和各自的優(yōu)缺點(diǎn)主要有：

（1）兩者的研究對象及研究方法不同，單元計(jì)算參照經(jīng)典方法和彈性方法，以單樁或單位寬度的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)（排樁或者地連墻）為研究對象進(jìn)行分析。而整體計(jì)算則采用有限元方法，本次分析采用以整個(gè)基坑體為研究對象的全有限元分析。此外整體計(jì)算還可以采用以整個(gè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為研究對象的支護(hù)結(jié)構(gòu)分析。單元計(jì)算結(jié)果接近公式法計(jì)算，更為直觀易懂，且計(jì)算過程快速，更適用于基坑支護(hù)設(shè)計(jì)階段。

（2）兩種計(jì)算考慮的因素不同。支撐結(jié)構(gòu)的剛度不僅與本身有關(guān)，也與周圍桿件和邊界條件有關(guān)，因?yàn)閱卧?jì)算方式不能考慮周圍桿件對其剛度的影響，所以在單元計(jì)算中不容易確定支撐結(jié)構(gòu)的剛度。同時(shí)，單元計(jì)算也無法將基坑變形的影響納入其中，因?yàn)樵诓煌r下發(fā)生變形后，支撐結(jié)構(gòu)的剛度是隨施工過程不斷變化的。整體計(jì)算中，可考慮周圍支護(hù)構(gòu)件、內(nèi)撐構(gòu)件、施工工況變化對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變的影響。周圍環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)復(fù)雜或者施工過程受力情況變化較大的情況，采用整體計(jì)算的方式可充分考慮上述因素影響，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）兩者計(jì)算結(jié)果不同。單元計(jì)算和整體計(jì)算都可以輸出支護(hù)構(gòu)件位移和內(nèi)力等結(jié)果，但是單元計(jì)算無法輸出無內(nèi)撐結(jié)構(gòu)的結(jié)果，而整體計(jì)算無法輸出錨索（桿）及穩(wěn)定驗(yàn)算的結(jié)果。在基坑支護(hù)體系中需要進(jìn)行錨索（桿）設(shè)計(jì)時(shí)，采用單元計(jì)算進(jìn)行試算是一種較為簡便快捷的方法。

由于理正使用的是空間土抗力法，空間的土抗力法所依據(jù)的是庫倫剪切破壞公式，一種線性破壞分析，且理正的假設(shè)前提是將土考慮為土彈簧。所以，在進(jìn)一步研究中可以嘗試使用MI?DAS/GTS、ANSYS或者OYSERSAFE等非線性的有限元方法進(jìn)行模型計(jì)算及驗(yàn)證。