综合管廊深基坑支护桩长优化分析

2019-08-21杨世宏

城市道桥与防洪 2019年8期

杨世宏

（中铁一局集团有限公司，陕西西安 710054）

0 引言

地下综合管廊施工方法形式多样，如明挖法、矿山法、盾构法和顶管法，其中明挖法是最常规的修建工法。与工民建基坑不同，城市地下综合管廊因线路较长，开挖的基坑形式往往表现为“狭长”，基坑左右两侧的支挡结构距离较近，对土体产生的约束较大，这对基坑的稳定性更有利。然而目前并没有专门为地下综合管廊基坑支护设计制定相关规范，管廊基坑支护设计主要是通过《建筑基坑支护技术规程》[1]等相关设计规范进行计算的，该类规范并未考虑上述近距离围护结构的情况，比较适用于工民建工程，若用于综合管廊基坑可能会导致设计结果偏于保守。目前已有部分学者对综合管廊基坑支护结构优化展开研究，如郁雷（2014）[2]依托于昆山市某综合管廊工程，为优化基坑支护设计，通过力学计算选择了合适的HUC组合钢板桩型号；乔稳超等（2017）[3]和陈浩等（2017）[4]结合六盘水综合管廊工程，考虑岩溶地区特殊地质条件，通过对管廊基坑内支撑平面、竖向设计比较，确定支护结构优化方案；杨爱良等（2016）[5]以金义都市新区综合管廊为工程背景，针对管廊交叉口基坑深度、地质情况和周边环境等特点，分别对基坑两侧边坡的支护锚杆进行优化。在基坑支护设计中，支护桩已得到了广泛的应用，由于我国地下综合管廊建设起步较晚，鲜见针对支护桩优化的研究成果，但关于工民建、桥梁和轨道交通等方面，已有部分学者进行了探讨。陶可等（2012）[6]针对某岩溶区桥梁采用的摩擦桩进行桩长优化分析与计算，提升桩底标高，减少桩长；林洁等（2014）[7]通过有限元分析，探讨了不同土体性质和基坑深度对灌注桩桩长的影响，为支护桩的优化设计提供理论参考；徐建军等（2017）[8]针对唐山港某码头工程，参考工程实际经验，将单桩桩长比原设计优化了8 m。

基于此，本文以平潭地下综合管廊深基坑工程为研究背景，通过数值模拟5种桩长方案模型，分析基坑支护体系结构及周边地层位移场的变化，结合现场实测数据以分析基坑的安全稳定，验证桩长优化设计的可靠性，总结出一些对地下综合管廊深基坑支护设计施工具有参考价值的结论。

1 工程概况

1.1 工程简介

对平潭实验区地下综合管廊一期干线工程（总长 22.577 km）取 2标 GA4+140～GA4+455.32（315.32 m）作为研究段，该区间的深基坑宽11.9 m，开挖深度8.5～11.5 m。基坑西侧为既有环岛路，东侧主要分布着空地和山体。

1.2 工程地质与水文地质概况

根据地质补勘揭示（见图1）可以看出该区间段管廊基坑范围主要地层为素填土、中砂和淤泥质土。其中淤泥质土以流塑为主，物理力学性质很差；地下水位埋深约为2.0～4.7 m。

图1 工程地质剖面图

1.3 原基坑支护设计

该管廊围护结构采用ø800@1200钻孔灌注桩+ø800@1200双管旋喷桩止水帷幕+2道内支撑。其中，灌注桩桩长23.7 m，基坑围护结构剖面见图2。

2 支护桩深度优化方案

本次研究的管廊深基坑形式与工民建不同，断面呈“狭长”型，基坑两侧支护桩距离近，对土体约束较大，这有利于管廊基坑稳定。然而管廊基坑支护结构设计时采用的一系列适用于工民建的基坑设计规范未考虑近距离排桩支护的情况，这使得设计结果将偏于保守，且该管廊基坑支护结构中还设置了2道内支撑。因此，笔者认为原支护方案是存在优化空间的。

图2 基坑支护结构横剖面图（单位：mm）

不仅如此，深基坑还是一个复杂的三维空间结构，相关研究表明深基坑存在着空间效应，通过二维平面计算出的结果往往存在优化的空间[9-10]。因此，本文采用有限元法综合考虑深基坑的三维空间效应，对狭长型管廊基坑支护桩的桩长进行优化。基于安全可靠原则，提出了4种支护桩深度方案进行比较。

基坑原支护方案设计为ø800@1200钻孔灌注桩，桩长23.7 m，记作Model-1，其他具体支护桩深度设计方案见表1。其中Model-3的桩长嵌入淤泥层底面以下1.7 m，Model-5的桩端未穿透坑底下方的淤泥质土层。

表1 支护桩深度设计方案

3 优化方案计算分析

3.1 数值模型设计

深基坑开挖支护模型总尺寸为长（y）×宽（x）×高（z）=50 m×12 m×30 m。基坑开挖深度取 10 m，地下水位取3.5 m，围护桩长23.7 m。素填土和淤泥质土采用理想弹塑性模型（MC），中砂层采用小应变土体硬化模型（HSS）。各土层物理参数见表2，支护结构均按线弹性材料考虑，围护桩采用板单元模拟，内支撑采用梁单元模拟。基坑支护结构材料参数见表3。

表2 岩土体物理力学参数

表3 结构物理力学参数

3.2 计算工况

按照施工过程依次模拟分析，计算工况步骤如下：（1）初始地应力平衡，记作 CS0；（2）支护桩施工，开挖至 -1.0 m，记作 CS1；（3）设置第 1道撑，开挖至 -4.0 m，记作 CS2；（4）设置第 2道撑，开挖至-10.0 m，记作CS3。

3.3 结果分析

3.3.1 地层竖向位移分析

在不同围护墙深度下，管廊基坑开挖到底时的地层竖向位移极值结果见表4。

表4 地层竖向位移极值

从表4可知，地表沉降极值出现在墙后一定距离处，沉降槽形态显著，坑底隆起变形集中在坑底至下部淤泥层范围内。当围护墙深度从19.7 m减小到17.7m时，地表最大沉降量从-41.36mm激增至-109.7 mm，桩长变化引起的地表沉降变化速率为34.17 mm/m，而当围护墙深度从19.7 m增加到23.7 m时，地表最大沉降量从-41.36 mm减小为-24.93 mm，地表沉降变化速率为4.11 mm/m，2种条件下的围护墙深度变化影响程度差异显著。

提取各方案下的地表沉降极值和坑底隆起极值，绘制其随围护墙深度变化曲线见图3。

图3 地层竖向位移随围护墙深度的变化曲线

图3 清楚地显示出了地表沉降量和坑底隆起量随围护墙深度的变化，总体上，围护墙深度越小，地表沉降量和坑底隆起量越大，但该变化规律并非呈线性变化关系，地表沉降量和坑底隆起量随围护墙深度变化存在一个转折点，即图中用第2道虚线标示的位置。当围护墙底端嵌入坑底下方淤泥层底面以下达到2倍桩径（即1.6 m，此时对应的围护墙总深度为19.6 m）以上时（在第2道虚线右侧），地层竖向位移尤其是地表沉降随围护墙深度的变化趋于缓和，即此时继续增加围护墙深度对地表沉降的控制作用不明显。反之，当围护墙底端嵌入坑底下方淤泥层底面以下的深度小于2倍桩径时（此时对应的围护墙总深度小于19.6 m，在第二道虚线左侧），地表沉降和坑底隆起随围护墙深度的减小而迅速增大，即此时围护墙深度变化对地层竖向位移影响十分显著。

基于上述分析，可从地层竖向位移这一指标出发，提出一个坑底下方存在软弱层的基坑围护墙深度确定方法。经过参数变化，方案对比分析，可认为围护墙底嵌入坑底下方淤泥层底面以下2倍桩径是一个比较合理的围护墙深度方案，若嵌入深度过小，则基坑变形较大，不利于基坑安全稳定，若嵌入深度过大，则对基坑变形的控制效率不明显，经济性不佳。后文中将从围护墙侧移、围护墙弯矩及支撑内力等方面，论证上述围护墙深度嵌入淤泥层底面以下2倍桩径的合理性。

3.3.2 围护墙深层水平位移分析

通过对围护墙水平变形形态分析可知，围护墙上部因2道内支撑的限制作用产生的侧移量较小，当围护墙深度大、墙底嵌入淤泥层下方较硬的中砂层时，围护墙侧移大致呈弓形，中部侧移量最大，位于坑底下方；随着围护墙深度的减小，即围护墙底嵌入中砂层的深度减小，甚至减小到完全位于软弱的淤泥层中，围护墙侧移极值出现的位置逐渐下移，当围护墙深度减小到淤泥层底面附近，即围护墙深度17.7 m和18.7 m时，墙底侧移量最大，此时围护墙侧移呈踢脚变形模式。各方案下的围护墙水平位移极值随围护墙深度变化曲线见图 4。

图4 围护墙水平位移随围护墙深度的变化曲线

从图4可以看出规律，围护墙侧移量随着围护墙深度增大而减小，呈线性变化关系，存在一个转折点，即图中用第2道虚线标示的位置。在第2道虚线右侧，围护墙侧移随围护墙深度的变化趋于缓和，即此时继续增加围护墙深度对围护墙侧移的控制作用不明显。反之，在第二道虚线左侧，围护墙深度变化对围护墙侧移影响显著。围护墙深度从19.7 m减小到17.7 m时，围护墙侧移变化速率为50.3 mm/m；当围护墙深度从19.7 m增加到23.7 m时，围护墙侧移变化速率为4.08 mm/m。

3.3.3 围护墙弯矩分析

管廊基坑开挖到底时的各个模拟方案的围护墙最大弯矩见表5。随围护墙深度变化曲线见图5。

表5 围护墙最大弯矩

图5 围护墙弯矩随围护墙深度的变化曲线

从表 5和图5可知，围护墙深度变化对弯矩分布特征影响不大，与地层沉降和围护墙侧移随围护墙深度变化的响应规律相似，即以第2道虚线为分界线，围护墙弯矩极值往左表现为随围护墙深度的减小而迅速增大，弯矩最大值为2 400 kN·m，往右变化趋于缓和。

3.3.4 支撑内力分析

不同优化方案下各施工阶段的支撑内力极值见表6。各方案下的围护墙弯矩极值，绘制其随围护墙深度变化曲线见图6。

表6 支撑内力极值 kN

图6 支撑轴力随围护墙深度的变化曲线

从表6和图6可以看出，第1道支撑为受拉状态（受拉为正，受压为负），第2道支撑处于受压状态。当围护墙底端嵌入坑底下方淤泥层底面以下达到2倍桩径以上时，继续增加围护墙深度对支撑轴力的影响减弱；小于2倍桩径时，对支撑轴力受围护墙深度变化影响很大。

4 现场监测数据分析

经数值模拟分析后，选定Model-3作为综合管廊深基坑支护工程现场实施方案。现对里程号为GA4+410～GA4+450区间段管廊基坑的进行现场实测，测点平面布置见图7。

图7 监测平面图

4.1 坑外地表沉降监测数据分析

地表沉降监测剖面DB1和DB2随坑边距离变化的地表沉降监测曲线见图8。

图8 地表沉降随距离变化曲线

由图8可知，坑外地表沉降随基坑开挖过程逐渐增大，基坑东西两侧的累计地表沉降最大值为12.3 mm，远低于控制值30.00 mm，最大沉降出现在距坑边约6～10 m范围内。另外，同一监测断面两侧的沉降形态略有不同，东侧沉降走向主要表现为上升趋势，而待基坑底板施作完毕，布设于西侧距坑边6～15 m范围内的沉降值却十分接近，偏差值不超过1 mm，出现这样在同一断面两侧的沉降特征不同的原因很可能是东西侧地层变化、坑内开挖三维空间效应等因素引起了支护体系的刚体位移。

地表沉降监测剖面DBC1和DBC2随时间变化的地表沉降监测曲线见图9。

由图9所示的沉降时程曲线可知，随着基坑开挖，地表沉降速率逐渐增大，待基坑施作底板后地表沉降基本收敛；总体上，东侧累计沉降较西侧大，可见，基坑西侧现状环岛路上来往车辆的荷载对地表沉降的影响甚微。

4.2 支护桩深层水平位移监测数据分析

监测点CX1、CX2的支护桩深层水平位移监测曲线（以向坑内移动为正）见图10。

图9 地表沉降随时间变化曲线

图10 支护桩深层水平位移监测曲线

从图10可知，东西两侧测点的桩体位移监测曲线均表现出随着基坑开挖深度增大，桩身位移增大的特点，呈典型的“内凸型”。其中，最大位移出现位置在-12～-14 m之间，在基坑底部以下一定距离。可见，被动土区域未提供足够的支撑，这正是因为该位置细砂和淤泥质土的强度与刚度较低。从图10还可以看出桩身累计最大侧移量为48.21 mm，与数值模拟计算结果相近，发生时间于基坑开挖到底且内支撑均架设完毕。西侧的最大位移仅比东侧大3.74 mm，可以推断围护墙深层水平位移受西侧环岛路人行道荷载的影响小。