金 祎， 柯 磊， 胡方劍， 楊開放， 徐長節(jié),5*

(1.杭州市錢江新城建設(shè)開發(fā)有限公司，杭州 310020；2.杭州市市政設(shè)施監(jiān)管中心，杭州310003；3.宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，上海 200235；4.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058；5.華東交通大學(xué)江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

目前，中國城市綜合管廊的建設(shè)經(jīng)過十幾年的醞釀，逐漸在城市發(fā)展建設(shè)中起到了重大的作用。綜合管廊一般沿道路建設(shè)，因此管廊基坑呈現(xiàn)出狹長型的特點(diǎn)，基坑工程因面對不同的開挖環(huán)境需采用相應(yīng)地圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式。尤其是管廊基坑工程集中在城市建(構(gòu))筑物的密集區(qū)域，為了保護(hù)周圍建(構(gòu))筑物的安全，與之相關(guān)內(nèi)容的研究逐步引起了工程界的重視。

Zhang等[1]通過改變敏感性參數(shù)研究基坑開挖引起管線的應(yīng)力、應(yīng)變和位移的變化；Tan等[2]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)研究管線變形與距離基坑位置的關(guān)系；在軟土地區(qū)，李大勇等[3-4]考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的接觸面模擬基坑開挖的過程，分析不同的土體加固方案對管線位移的影響；張陳蓉等[5-6]通過對比位移控制兩階段簡化分析和控制階段有限元兩種方法，驗(yàn)證了簡化方法的合理性，同時提出了關(guān)于保護(hù)管線的控制標(biāo)準(zhǔn)；杜金龍等[7]運(yùn)用有限元軟件分析不同的管徑對管與土之間接觸面的影響，得出關(guān)于管線的曲率、轉(zhuǎn)角、最大應(yīng)力和彎矩發(fā)生的位置；運(yùn)用監(jiān)測數(shù)據(jù)[8-9]引入風(fēng)險指標(biāo)計算和風(fēng)險擬合，劃分監(jiān)測和預(yù)測管線的風(fēng)險等級。

前人關(guān)于基坑開挖引起近鄰管線位移的研究，基本上是從小直徑管線的角度出發(fā)，沒有對大直徑管線做較多的研究；有些研究沒有考慮管線自身剛度的因素，把基坑開挖引起土體的位移作為近鄰管線的位移。為此，運(yùn)用有限元軟件模擬基坑開挖的過程，研究城市管廊的建設(shè)對近鄰大直徑管線的影響，并探討了基坑開挖與管線埋設(shè)的三種深度關(guān)系，分析大直徑管線因基坑開挖產(chǎn)生的豎向和水平方向位移，為相似工程的施工提供了參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

杭州市錢江新城沿江大道綜合管廊基坑呈長條形狀，開挖長度為2160 m，基坑開挖深度為5.0～16.0 m，開挖寬度10.3～10.7 m。基坑周邊有需要保護(hù)的大直徑污水管線，基坑坑邊與污水管線水平距離相距4.0 m，本段污水管線由2根型號D2400的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管組成，污水管管徑為2.4 m。由于基坑沿縱向方向開挖，根據(jù)基坑周圍的開挖環(huán)境選取三種典型的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐、SMW(solid mixing wall)工法樁加內(nèi)支撐和地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐?，F(xiàn)以地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐為研究背景，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻加四道內(nèi)支撐的支護(hù)形式，地下連續(xù)墻為800 mm的C30混凝土，第一、三道為鋼筋混凝土支撐，第二、四道為鋼支撐，此處污水管埋深約10 m。典型的基坑圍護(hù)剖面如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

該工程地處錢塘江沖海積平原，場地灘淤幅度變化較大，土體具有高壓縮性且部分土層缺失的特點(diǎn)，土體物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

1.3 管線位移監(jiān)測

基坑開挖會改變周圍土體的位移場，近鄰管線也會產(chǎn)生相應(yīng)的位移變化。由基坑開挖引起兩條近鄰管線沉降的監(jiān)測值可知(圖2)，管線的沉降量隨著開挖時間的變化而線性增加，兩根管線的沉降值趨勢基本一致。基坑開挖初期，管線的沉降變化緩慢；隨著基坑開挖深度的加深，管線沉降變化顯著，這是由于基坑深度增加，增大了基坑內(nèi)土體的卸荷對周圍土體的位移場變化；當(dāng)基坑開挖至坑底時，污水管的沉降逐漸趨于穩(wěn)定，管線沉降的最大值為8.36 mm。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 有限元模型的建立

2.1 數(shù)值邊界

該基坑工程具有狹長型的特點(diǎn)，基坑的長度遠(yuǎn)大于基坑的寬度，因此應(yīng)用有限元軟件PLAXIS建立二維模型時可簡化為平面應(yīng)變的問題。模型的水平方向取基坑開挖深度的4倍，豎直方向取基坑開挖深度的3倍，即模型的X方向?yàn)?0 m，Y方向?yàn)?0 m，可以滿足邊界條件[10]，模型坐標(biāo)原點(diǎn)如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

2.2 本構(gòu)模型及參數(shù)選取

2.2.1 土體本構(gòu)模型

巖土工程實(shí)踐表明，土體在破壞前實(shí)際上在荷載作用下處于小應(yīng)變狀態(tài)。小應(yīng)變土體硬化模型(hardening soil model with small-strain stiffness，HSS模型)具有土體的剪切模量隨應(yīng)變增大而減小的特點(diǎn)，并且可以區(qū)分土體的加卸載剛度，因此使用HSS模型，HSS模型可以給出明確的土體卸載模量參數(shù)[11-12]，HSS模型土體參數(shù)見表2。

2.2.2 模型參數(shù)

數(shù)值模型的基坑開挖深度為16.0 m，采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，第一道鋼筋混凝土支撐架設(shè)在-1.5 m，第二道鋼支撐架設(shè)在-5.0 m，第三道鋼筋混凝土支撐架設(shè)在-8.5 m，第四道鋼支撐架設(shè)在-12.0 m。具體圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3、表4所示。

2.3 模型工況

有限元模型根據(jù)工程概況模擬施工步驟，分層進(jìn)行土方開挖，同步架設(shè)相應(yīng)支撐進(jìn)行支護(hù)，關(guān)鍵工況如表5所示。

表2 HSS模型土體參數(shù)取值

表3 錨桿單元的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 板單元的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

表5 關(guān)鍵工況開挖階段

3 模型計算結(jié)果

3.1 模型驗(yàn)證

3.1.1 土體深層水平位移驗(yàn)證

應(yīng)用有限元軟件PLAXIS建立數(shù)值模型，計算結(jié)果表明模型中土體深層水平位移的計算值與實(shí)例工程的實(shí)測值相吻合。由于模擬開挖過程中，數(shù)值模型未能考慮基坑施工過程中對土體的擾動以及坑周部分動荷載的作用，導(dǎo)致基坑工程的實(shí)測值大于模型的計算值，但兩者性狀變化趨勢一致。由基坑開挖引起的土體最大水平位移為9.54 mm，數(shù)值模型計算值為8.40 mm，兩者相差11.95%且土體最大水平位移均位于基坑坑底附近，深層水平位移基本吻合(圖4)。

圖4 深層土體水平位移

3.1.2 管線位移驗(yàn)證

基坑開挖會引起周圍大直徑污水管線的位移變化，由有限元的模型計算結(jié)果可知(圖5所示)，1號污水管的沉降量達(dá)到6.05 mm，工程實(shí)測值是8.36 mm，2號污水管的沉降量達(dá)到7.19 mm，工程實(shí)測值8.07 mm，有限元模型的計算值與工程的實(shí)測值兩者相差13.94%。由于有限元模型未能考慮施工對土體的擾動影響，以及基坑周圍部分超載的情況，所以有限元模型的計算值小于基坑開挖引起管線沉降的實(shí)測值。

圖5 污水管計算沉降值

3.2 基坑開挖深度與管線埋設(shè)深度的關(guān)系

通過有限元模型可知土體卸荷會引起近鄰管線位移變化，在基坑開挖初期[即基坑開挖的深度小于污水管線的埋深，圖6(a)所示]，大直徑污水管線周圍的土體向坑內(nèi)運(yùn)動，因此污水管線隨著土體產(chǎn)生向上的運(yùn)動趨勢；當(dāng)基坑的開挖深度等于污水管線的埋設(shè)深度時[圖6(b)所示]，管線周圍的土體會帶動污水管向坑內(nèi)水平運(yùn)動，污水管自身的收斂變化較為明顯；當(dāng)基坑的開挖深度大于管線的埋設(shè)深度時[圖6(c)所示]，管線周圍的土體引起污水管線產(chǎn)生向下的沉降趨勢，大直徑污水管線的位移較為明顯。因此，不同的開挖深度會引起管線處于不同的運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)近鄰管線的基坑開挖時，需要注意基坑的開挖深度與管線的埋設(shè)深度關(guān)系，控制管線由于開挖深度不同引起的位移監(jiān)測頻率。

圖6 土體位移場矢量

3.3 管線位移變化規(guī)律

3.3.1 管線水平位移

基坑開挖不僅會引起管線的沉降，同時還會造成污水管線的水平位移(圖7所示)，隨著基坑開挖深度的加深，污水管的水平位移逐漸增大；當(dāng)基坑開挖至污水管線的埋設(shè)深度，污水管的水平位移變化最為明顯，污水管的水平方向位移增加的速率為0.57 mm/m(即水平位移的增量與開挖深度的增量比值)；當(dāng)基坑開挖至坑底時，污水管的水平位移逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，水平位移的最大值達(dá)到6.0 mm。當(dāng)基坑開挖至污水管的埋設(shè)深度時，此時應(yīng)增加控制污水管線水平位移的措施。

圖7 污水管線變形

3.3.2 管線豎向位移

圖8 污水管線不同方向的位移變化

基坑開挖時，土體卸荷同時會引起污水管豎向沉降和水平位移的變化(圖8所示)?；觾?nèi)土體開挖較少時，污水管線豎向和水平的位移變化較小；隨著基坑開挖深度的增加，管線的豎向和水平位移得到快速發(fā)展，當(dāng)基坑的開挖深度達(dá)到8.5 m左右時，污水管線水平方向的位移大于豎向位移，這是由于基坑開挖階段，基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于懸臂工作狀態(tài)，坑周土體主要向坑內(nèi)產(chǎn)生水平運(yùn)動，所以水平方向的位移大于豎向位移；當(dāng)基坑開挖至12.0 m時，污水管線的豎向位移和水平位移接近，管線的豎向位移逐漸大于水平位移，這種發(fā)展趨勢是由于此時基坑開挖較深，主動區(qū)產(chǎn)生較大的土壓力迫使土體繞過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的底端向坑內(nèi)位移，深層土體的位移場發(fā)生了變化，因此污水管線受土壓力的影響，管線的豎向位移大于水平位移，此時污水管豎向位移的增加速率為0.73 mm/m(即豎向位移的增量與開挖深度的增量比值)。在基坑開挖過程中，不僅要監(jiān)測污水管的水平位移，同時也要做好關(guān)于污水管豎向位移的監(jiān)測。

4 結(jié)論

以實(shí)例工程為背景，研究基坑開挖引起大直徑污水管的位移變化，運(yùn)用有限元軟件模擬基坑開挖的過程，得到以下結(jié)論。

(1)運(yùn)用有限元軟件PLAXIS建立的平面應(yīng)變問題模型，所提到的參數(shù)可以為相關(guān)有限元模型提供參考。

(2)通過有限元軟件研究基坑的開挖深度與污水管埋設(shè)深度的三種關(guān)系下，分析基坑開挖引起污水管的位移變化情況。

(3)基坑開挖不僅會引起污水管的豎向位移，同時還會引起污水管的水平方向位移，關(guān)于污水管的水平位移的監(jiān)測極其重要，為工程提供了借鑒。