周 亮

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司；上海市水務(wù)局防汛減災(zāi)工程技術(shù)研究中心，上海 200061)

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，作為城市公共交通骨干的城市軌道交通正在迅猛發(fā)展，據(jù)城市軌道交通2018年度統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)告，2018年全年完成城市軌道交通建設(shè)投資5470.2億元，同比增長(zhǎng)14.9%。在大量地鐵車(chē)站建設(shè)過(guò)程中，基坑工程周邊往往存在對(duì)位移敏感的構(gòu)筑物，此時(shí)基坑工程設(shè)計(jì)應(yīng)在保證強(qiáng)度的前提下，重點(diǎn)關(guān)注變形控制[1- 2]。對(duì)于管線、箱涵、已有地鐵隧道等地下工程，由于它們深埋在地表以下，發(fā)生破壞時(shí)危害較大且修復(fù)困難，因此基坑開(kāi)挖對(duì)其產(chǎn)生的影響研究，是基坑環(huán)境工程中的重要課題[3]。王成華[4]、蔡建鵬[5]、張陳蓉[6]分別采用整體有限元分析方法(FCFEM)、位移控制有限元方法(DCFEM)、三維DCFEM法等分析方法，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地下管線的影響。王衛(wèi)東[7]、張培森[8]、鄭剛[9]采用PLAXIS、ABAQUS等有限元數(shù)值分析方法，研究了基坑開(kāi)挖對(duì)已有地鐵區(qū)間隧道的影響。對(duì)于基坑周邊位移敏感構(gòu)筑物的變形分析，采用的有限元數(shù)值模擬分析方法具有較高的可靠性。目前基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地下構(gòu)筑物影響的研究，主要集中在地下管線及已有地鐵區(qū)間隧道，對(duì)于箱涵變形影響的相關(guān)研究較少。箱涵結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形，與管線及隧道形狀差異大，且其埋深一般較淺，外輪廓尺寸較大，壁厚一般在250～400mm之間，材料采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其與土體、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用值得探討?；诖耍疚慕Y(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，細(xì)致地分析了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近箱涵的影響。

1 工程概況

復(fù)旦大學(xué)邯鄲校區(qū)中華文明資源中心項(xiàng)目位于楊浦區(qū)復(fù)旦大學(xué)邯鄲校區(qū)核心區(qū)，與軌道交通18號(hào)線地鐵復(fù)旦大學(xué)站結(jié)合建設(shè)。項(xiàng)目設(shè)一層地下室，大面積區(qū)域結(jié)合地鐵車(chē)站及附屬同期共建。除與地鐵共建區(qū)域外，在車(chē)站南北端頭井外，還設(shè)有兩處一層地下室，即本項(xiàng)目基坑A區(qū)和B區(qū)。A區(qū)開(kāi)挖面積約1600m2，開(kāi)挖深度約5.8m；B區(qū)開(kāi)挖面積約1500m2，開(kāi)挖深度約5.2m。基坑周邊環(huán)境極為復(fù)雜，北臨校園最核心傳統(tǒng)歷史保護(hù)建筑相輝堂，南臨歷史保護(hù)建筑校史館，西鄰虬江地下箱涵，東臨學(xué)校次入口，相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑總平面圖

圖2 虬江箱涵剖面圖(mm)

表1 HSS模型參數(shù)表

A區(qū)、B區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)距西側(cè)虬江地下箱涵最近距離分別為16.05m、2.0m，基坑均采用φ800mm鉆孔灌注樁進(jìn)行圍護(hù)，設(shè)φ850mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，坑內(nèi)沿豎向設(shè)一道800mm×800mm鋼筋混凝土水平支撐，呈正交對(duì)撐和角撐布置。

虬江地下箱涵為合流污水箱涵，箱涵三孔聯(lián)排，結(jié)構(gòu)壁厚400mm，頂板埋深1.40～1.80m，遠(yuǎn)基坑兩孔為合流污水有壓管，單孔孔徑為4.25m×3.50m，近基坑第三孔為虬江河道暗埋排水孔，孔徑為5.00m×3.50m，箱涵結(jié)構(gòu)如圖2所示。箱涵始建于20世紀(jì)80年代，屬上海市重要污水干線，建設(shè)年代久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)可能存在薄弱環(huán)節(jié)，且與B區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離僅2m，為本基坑工程重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。

2 基坑工程施工動(dòng)態(tài)全過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 幾何模型及模型邊界條件

對(duì)B區(qū)基坑剖面進(jìn)行二維有限元分析?；娱L(zhǎng)44m，寬40m，深5.2m。模型左、右側(cè)邊界分別取箱涵、圍護(hù)樁以外30m，底部邊界距圍護(hù)樁底45m。模型變形邊界條件取左、右側(cè)邊界為法向固定，底部邊界完全固定，頂部邊界自由。滲流邊界條件取左側(cè)、右側(cè)、頂部邊界打開(kāi)，底部關(guān)閉。

2.2 土體本構(gòu)模型選取及參數(shù)確定

根據(jù)梁發(fā)云[10]的研究成果，采用的HSS模型可以考慮小應(yīng)變范圍內(nèi)土體剪切模量隨應(yīng)變?cè)龃蠖p的特點(diǎn)，在上海軟土地區(qū)基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬中具有較好的適用性。本次數(shù)值分析采用HSS模型，各土層參數(shù)見(jiàn)表1。

灌注樁及箱涵采用板單元模擬，材料類(lèi)型選用彈性，并在樁體及箱涵設(shè)置界面單元模擬樁—土、箱涵—土的相互作用。模擬時(shí)箱涵內(nèi)兩個(gè)有壓孔采用5m壓力水頭，一個(gè)明流孔采用3m常水位，壁厚考慮侵蝕后的削弱作用，取350mm。支撐采用錨錠桿模擬，材料類(lèi)型選用彈性。

2.3 施工工況模擬

對(duì)基坑開(kāi)挖進(jìn)行四種不同施工工況下的模擬。工況一：不進(jìn)行坑底加固，在開(kāi)槽支撐后分層開(kāi)挖土體；工況二：對(duì)坑底采用Φ850三軸攪拌樁滿堂加固，加固深度為地表至圍護(hù)結(jié)構(gòu)底，先加固土體后開(kāi)挖；工況三：在箱涵與灌注樁間設(shè)回灌井；工況四：對(duì)坑底采用Φ850三軸攪拌樁滿堂加固的同時(shí)設(shè)回灌井。各工況下變形網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 基坑施工工況數(shù)值模擬

3 結(jié)果分析

3.1 不同工況下的影響分析

有限元模擬關(guān)注的重點(diǎn)是基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地下箱涵的變形影響，在未采取加固措施情況下，箱涵最大水平位移2.687mm，最大豎向位移3.863mm，總體變形不大。箱涵結(jié)構(gòu)與管線或隧道不同，其每25m設(shè)一道接縫，接縫寬3cm，采用止水帶及聚苯乙烯泡沫板相結(jié)合，接縫處底部配600mm×350mm枕梁，該接縫為薄弱部位，應(yīng)盡量采取措施以進(jìn)一步控制箱涵變形。采用坑底加固、設(shè)回灌井、坑底加固結(jié)合回灌井三種加固方案，對(duì)不同工況下箱涵變形進(jìn)行分析，變形統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

從各工況的變形值可以看出，采用工況二坑底加固方案后，箱涵水平位移平均降低50.6%，豎向位移平均降低61.7%；采用工況三設(shè)回灌井方案后，箱涵水平位移平均降低24.0%，豎向位移平均降低18.1%；采用工況四坑底加固并設(shè)回灌井方案后，箱涵水平位移平均降低53.1%，豎向位移平均降低62.1%。

上述結(jié)果表明，采用坑底加固方案對(duì)控制地下箱涵變形較為有效，但是方案造價(jià)高；采用設(shè)回灌井方案后對(duì)降低箱涵變形也具有較好的效果，且造價(jià)低；采用坑底加固并設(shè)回灌井方案效果最顯著。

對(duì)比工況二及工況四下箱涵變形可知，在采用坑底加固方案后，再設(shè)回灌井對(duì)控制箱涵變形的效果已不明顯，因?yàn)榭拥准庸毯蠡淄翝B透系數(shù)顯著減小，基底滲流減小，此時(shí)回灌水效果已不明顯。

因④層及以下土的滲透系數(shù)僅為②31層土的千分之一，故模擬時(shí)?、軐蛹耙韵峦敛慌潘?，各工況地下水滲流情況如圖5所示。由數(shù)模結(jié)果可知，在不設(shè)回灌井情況下，由于箱涵尺寸較大，延長(zhǎng)了滲徑，可以降低箱涵側(cè)樁底滲透流量?？拥准庸毯螅庸掏馏w滲透系數(shù)減小，可減小基底滲透流量。設(shè)回灌井后，由于灌水作用，加大了灌水處基底的滲透流量。

3.2 箱涵壁厚變化的影響分析

虬江地下箱涵始建于20世紀(jì)80年代，由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，兩孔有壓污水管受化學(xué)侵蝕嚴(yán)重，實(shí)際壁厚較原設(shè)計(jì)有所減少。為分析壁厚減少對(duì)箱涵變形產(chǎn)生的影響，選取300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400mm多種壁厚，以僅坑底加固方案作為計(jì)算模型，得出箱涵最大水平、豎向位移，如圖6所示。

由分析結(jié)果可知，箱涵水平位移隨壁厚減少而增大，總體趨勢(shì)呈線性，在300～400mm區(qū)間內(nèi)，箱涵壁厚每減少10%，水平位移增大7.6%。豎向位移隨壁厚減少而增大，以壁厚330mm為拐點(diǎn)，在300～330mm區(qū)間內(nèi)，箱涵壁厚每減少10%，豎向位移增大38.6%；在330～400mm區(qū)間內(nèi)，箱涵壁厚每減少10%，豎向位移增大14.3%。

4 結(jié)論與建議

(1)箱涵結(jié)構(gòu)存在變形縫，為抗變形薄弱部位，且箱涵兩孔為合流污水有壓管，屬上海市重要污水干線，故有必要對(duì)基坑采取加固措施以減小箱涵變形。

圖4 不同工況下箱涵位移值(mm)

圖5 各工況地下水滲流情況

圖6 箱涵壁厚變化對(duì)變形影響趨勢(shì)

(2)開(kāi)挖對(duì)箱涵變形的影響主要是由于鉆孔灌注樁圍護(hù)墻位移和基坑坑底卸荷回彈，引起基坑外土體損失，從而引起地面沉降，以及基坑降水引起周邊地基土體有效應(yīng)力增加而引起土體沉降。

(3)采用回灌井對(duì)基坑外圍進(jìn)行水位回灌可減少基坑開(kāi)挖降水對(duì)箱涵的不利影響，且基底土滲透系數(shù)越大，回灌井的效果越顯著。但是由于灌水作用，加大了灌水處基底的滲透流量，此時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)基底排水。

(4)采用坑底加固方案可有效減少基坑開(kāi)挖卸荷導(dǎo)致的坑底土體回彈，從而降低對(duì)箱涵的影響，且加固后坑底土體滲透系數(shù)減小，可減小基底滲透流量，控制坑外水位降幅。在采用坑底加固后，再采用回灌井對(duì)控制變形的效果不大，但仍應(yīng)設(shè)觀測(cè)井兼回灌井，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位變化。

(5)箱涵運(yùn)行年代久遠(yuǎn)，需考慮長(zhǎng)期受侵蝕碳化后壁厚的削弱。箱涵水平位移、豎向位移均隨壁厚減少而增大，豎向位移對(duì)壁厚變化更敏感。豎向位移在壁厚330mm時(shí)存在拐點(diǎn)，此時(shí)壁厚減薄導(dǎo)致箱涵豎向位移增幅明顯。