深基坑施工期周边防汛设施的安全预警指标研究

王建敏，曹友为

(1.许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000；2.上海友为工程设计有限公司，上海 200093)

0 前 言

2020年7月，针对防汛救灾工作，中共中央政治局常务委员会会议强调，要全面提高灾害防御能力，坚持以防为主、防抗救相结合，把重大工程建设、重要基础设施补短板、城市内涝治理、加强防灾备灾体系和能力建设等纳入“十四五”规划中统筹考虑。为了提高城市的防灾防涝能力，增加堤防、河道、排水管道等新建项目固然重要，但已建防汛设施的日常维护同样不可或缺。目前基坑工程事故可分为两大类[1-2]：一是围护体系失稳产生破坏[3]，二是围护体系变形过大，致使周围管线、建(构)筑物产生破坏[4]。若基坑周围没有防汛设施，围护体系变形大一点是允许的，但影响范围内有防汛设施，对围护结构的变形要求就应更严格[5]。如果在汛期出现事故，可能引起内涝，严重的可能造成生命及财产损失[6]。基于工程地质资料，对深基坑开挖引起的防汛管线变形进行数值模拟，分析防汛管线本身的安全性，在部分地区已得到应用[7]，但通常都是后评价，对施工过程中预警指标的定量研究较少。因此，本文在基坑工程设计施工过程中，基于有限元数值模拟和相关规范，引入综合确定洞室开挖的安全预警指标[8]，在深基坑工程施工过程中，可根据实时监测的数据，对提前给出的安全预警指标予以修正[9]，从而更好地指导深基坑施工。

1 工程概况

上海奉贤某公司办公楼项目，主要建设内容包括1栋15层办公楼及地下车库(地下2层)等建(构)筑物。本工程地下2层，基坑开挖深度为9.40 m，该基坑呈类正方形，基坑周长约238 m，开挖面积约3 500 m2。基坑安全等级二级，环境保护等级二级。本工程基坑围护采用SMW工法挡土止水围护结构+两道钢筋混凝土支撑，根据《上海市地下公共工程建设防汛影响专项论证管理暂行办法》中第三条规定施工期间4倍地下车库开挖深度范围(37.6 m)内重要防汛设施为：南侧南奉公路下的DN1 000～1 200 mm雨水管。

2 防汛管线预警指标研究现状

深基坑施工过程中各监测指标的报警值在《建筑基坑工程监测技术标准》(GB 50497-2019)中规定：基坑支护结构监测预警值应根据基坑设计安全等级、设计计算结果等因素确定。当没有当地工程经验时，土质基坑周边环境监测预警值，对于刚性非压力管道累计值可取10～30 mm，变化速率可取2 mm/d；对于柔性管线累计值可取10～40 mm，变化速率可取3～5 mm/d。

虽然规范中关于基坑周边管线的预警值做了规定，但是并未针对不同类型、不同尺寸的不同地质情况下做出明确规定，动态施工过程中，需要分级预警，所以可以探索数值模拟的方法，针对具体基坑工程，管线位置、尺寸、材质等进行数值分析，预测其最终变形量及某级预警指标。

3 防汛管线预警指标的确定

基坑工程对邻近防汛设施的影响主要在施工期，施工期围护墙位移和基坑坑底隆起，引起基坑外土体损失，从而引起地面沉降，影响周边建筑物及防汛设施安全。经过多次试算，采用以下支护方案，南奉公路下的DN1 000～1 200 mm雨水管的数值计算结果能满足规范要求：3Φ850@1200三轴搅拌桩止水，内插HN700×300×13×24型钢(L=22.0 m，@1 200)挡土，第一道钢混凝土支撑中心线标高-2.900 m(支撑截面800 mm×800 mm)，第二道钢混凝土支撑中心线标高-6.900 m(支撑截面900 mm×800 mm)。

3.1 有限元模型的建立

根据基坑围护设计图，对计算剖面简化分析，建立平面有限元模型进行数值模拟计算，实际土层和地表起伏不大，简化为水平土层，土层参数来自勘察报告中室内试验，刚度参数采用Es，并根据经验加以修正；强度参数采用固结剪切试验参数并根据经验加以修正。水力条件根据潜水位生成静水压力，作为一个体力施加在土骨架上，外荷载简化为均布等效荷载。

3.2 计算结果与分析

计算结果分析通过模型计算，基坑开挖至基底时的水平位移与竖向位移如图1～2。通过基坑开挖至坑底的变形云图知，基坑开挖引起墙后沉降近似为凹槽型曲线。理论上，基坑开挖施工对周边防汛设施的位移影响如表1中数值计算结果。

图1 开挖至坑底竖直位移云图

图2 开挖至坑底水平位移云图

表1 基坑开挖施工期周边防汛设施预警指标

3.3 确定防汛管线预警指标

考虑数值计算结果，工程经验和相关规范要求，DN1 000～1 200 mm雨水管作为重要的防汛设施，如果遭到破坏，到汛期可能造成较大影响，经过计算，最终确定该深基坑施工方案下，防汛设施预警指标未超过规范规定的下限，满足工程安全要求。两条给水管DN500管径较小，且为柔性管道，故其预警指标可以制定的稍微宽松些，但施工过程中一定要加强监测，密切关注监测数据的变化。

1)变形量安全预警指标的确定，如果数值计算结果大于规范规定的预警值，则取数值计算结果作为一级预警指标，二级预警指标取规范规定的预警值和数值计算结果70%中的小值作为预警指标。如果数值计算结果小于规范规定的预警值，则取规范规定的预警值作为一级预警指标，二级预警指标取数值计算结果和规范规定的预警值70%中的小值作为预警指标。

2)变形速率预警指标的确定，数值计算无法考虑时间效应，故根据工程经验和规范确定，一级预警指标取规范中预警值上限，二级取规范中预警值下限和上限的70%中的小值作为预警指标。

3)定性预警指标依据规范确定，当基坑周边管线变形突然明显增长或出现裂缝、泄漏时，必须立即进行危险报警，并采取应急措施。

4 结 论

应用有限元软件PLAXIS建立了数值模型，实现了较好的仿真模拟。依据相关规范、工程实例，并结合数值计算结果，对深基坑工程施工期防汛设施的安全预警指标进行了定性和定量研究，以供深基坑设计阶段即考虑周边的防汛设施的安全稳定，制定施工方案，更好地保护防汛设施，在施工期也可以根据监测数据和新的地质资料调整计算模型，动态调整预警指标，以期实现动态设计及信息化施工。

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