深基坑施工对地下综合管廊的影响与优化控制研究

2020-12-26刘瑞军

铁道建筑技术 2020年10期

刘瑞军

(中铁十六局集团置业投资有限公司北京 100018)

1 引言

近年来，随着国家加大对地下空间的开发力度，尤其是在建设新城时，综合管廊的应用越来越广泛。综合管廊是在城市地下建造一个隧道空间，将水、电、气系统等统一管理，是城市管线系统中非常重要的组成部分[1]。与此同时，随着城市化进程的不断推进，地下空间得到大规模开发，基坑开挖的深度和范围不断扩大，其对邻近结构的影响尤其是在变形方面受到诸多学者及工程实践人员的关注[2-3]。

众所周知，基坑开挖本质上是一个不断卸载的过程，期间土体内应力会发生变化，使得基坑周边支护结构发生变形甚至是破坏[4]，同时引起基坑周围地表沉陷，从而对邻近结构产生不利影响[5]，如邻近建筑倾斜、道路开裂、综合管廊等地下管线变形等[6-7]。深基坑工程中邻近综合管廊发生变形不仅与综合管廊自身抵抗变形的能力有关[8]，还与基坑开挖深度或坑体的开挖卸载量有关[9-10]。土体本身的初始平衡被打乱是变形产生的最终原因[11]，使得基坑支护结构发生移动，导致综合管廊与土体一起随着支护结构变形[12]。由于综合管廊在国内尚未得到大范围推广，以往的研究主要集中在基坑开挖对邻近管线的影响，较少涉及对邻近综合管廊的影响。因此，探究深基坑工程对周边城市地下综合管廊的影响并提出优化设计方案显得尤为重要。

2 工程概况

某深基坑面积约28 450 m2，周长约662 m。场地内自然地面标高为＋7.10～8.40 m，坑底标高为-8.10～12.00 m，开挖深度20.0 m。根据本工程的项目情况以及工程周边环境要求，确定本基坑工程侧壁安全等级为一级，设计使用年限为1年。

3 现场监测及分析

(1)监测内容

施工监测需及时、准确、全面反映既有结构物的变形情况。通过系统、连续、完整的监测数据，分析既有综合管廊的变形量和稳定性。现场监测项目为综合管廊的表层水平位移和竖向沉降。

(2)结果分析

如图1所示，负值表示向基坑内侧位移，综合管廊上方土体表层水平位移情况为随着基坑的开挖逐渐增大，且始终朝向基坑内侧。基坑开挖后综合管廊表层水平位移迅速增加，且变化速度趋于一致，综合管廊在水平方向上逐渐向基坑内侧偏移。

图1 累计表层水平位移变化曲线

图2为综合管廊结构竖向位移随基坑开挖变化曲线。图中A侧和B侧为管廊内部距基坑较近和较远的两处测点。由图2可知，A、B侧竖向位移变化趋势和速度基本一致，第三层开挖结束时管廊A侧最终累计竖向位移约为2.6 mm，管廊B侧最终累计竖向位移约为2.8 mm，管廊B侧最终累计竖向位移略大于A侧。

图2 综合管廊结构累计竖向位移变化曲线

4 数值模拟

4.1 有限元模型

在进行ABAQUS数值模拟时，由于该基坑面积大、开挖深，且可近似为对称结构，简化为二维模型，取1/2基坑断面进行分析。南侧基坑边线距综合管廊最近点距离为12 m，最终模型总长度取200 m，总宽度取45 m。

基坑支护结构体系中的双排钻孔灌注桩和钢筋混凝土内支撑选用C35混凝土材料，邻近综合管廊采用C35级混凝土，其支撑结构混凝土管桩采用C40级混凝土。各材料参数取值如表1所示，其余参数按地勘报告结果输入。

表1 支护结构体系及综合管廊物理力学参数

建立模型时，首先要平衡初始地应力，否则荷载加在土体上以后土体会产生很大变形。地应力为起初已存在的力，综合考虑各种地应力平衡方法，最终采用了odb导入法以便于收敛，即一开始只加荷载，不设置预定义场，得到一个初始应力场，再将其导入预定义场，创建新的作业进行分析。通过初始位移场平衡初始地应力，结果由位移云图反映。初始地应力平衡后整个模型变形云图见图3。从结果看，最高有3.4 mm的变形，为了消除初始位移的影响，需要采用工具-创建场输出-来自场等命令，创建一个目标位移场减去初始位移场的表达式，减去初始位移场后的结果可在临时分析步session step中查看。

图3 初始地应力平衡后模型位移云图(单位:m)

4.2 数值模拟结果

为了判断所建模型是否合理，对比数值模拟结果与现场实测数据，其中实测值中表层水平位移是在基坑开挖前两层时进行监测的数据，因此所取数值模拟数据与之相对应，对比结果见图4。

图4 综合管廊表层水平位移实测值与模拟值对比曲线

由图4可知:随着基坑的开挖，水平位移逐渐增大，且朝向基坑内侧偏移，模拟值与实测值变化趋势基本一致。综合管廊上方土体表层水平位移实测值为-8.60 mm，朝向基坑内侧，模拟值为-10.60 mm，两者相差为2 mm。实测值与模拟值出现差异的原因在于数值模拟过程中进行了一系列的等效简化处理，比较关键的问题是没有考虑降水的作用，现场实测过程中发现基坑放置不开挖时综合管廊仍在沉降，与降水过程密切相关。在竖向位移方面规律与之类似，此处不再赘述。总体上模拟值与实测值相差不大，可以认为本文数值模拟的合理和有效性。

5 变形影响因素及优化控制措施

5.1 支护桩桩长影响

在基坑开挖过程中，围护桩起到了减小变形的作用，本节分析基坑开挖在支护桩桩长不同的几种工况下管廊最大水平位移和竖向位移的变化规律。共设定三种工况:支护桩桩长30 m、35 m和40 m，采用三种不同桩长的支护桩时综合管廊变形最大处的水平位移见图5。

图5 不同支护桩桩长时综合管廊最大水平位移

随着支护桩桩长增加，综合管廊的最大水平位移逐渐减小，当支护桩桩长从30 m增加到40 m时，综合管廊水平位移的最大值分别为17.73 mm、15.65 mm、14.97 mm，总位移差值为2.76 mm。

如6所示，在支护桩桩长变化时，综合管廊的最大竖向位移和水平位移变化规律基本一致，当支护桩桩长从30 m增加到40 m时，综合管廊竖向位移的最大值分别为3.21 mm、1.85 mm、1.19 mm，变化率分别为55.5%、73.5%，总位移差值为2.02 mm。可见支护桩桩长越长，综合管廊的竖向变形越小。

图6 不同支护桩桩长时综合管廊最大竖向位移

5.2 综合管廊基础桩桩长影响

基于本工程综合管廊结构竖向位移较小，初步推测原因是管廊基础桩的作用，本节通过改变综合管廊基础桩桩长来研究其对综合管廊变形的影响。共设定四种工况:综合管廊基础桩桩长12 m、16 m和20 m以及管廊无基础桩。四种不同工况下综合管廊的最大水平位移曲线见图7。管廊基础桩对综合管廊水平位移的影响较小，四种工况下综合管廊水平位移的最大值分别为15.63 mm、15.65 mm、15.85 mm、15.61 mm，差值几乎可以忽略不计。

图7 不同基础桩桩长时综合管廊最大水平位移

图8 不同基础桩桩长时综合管廊最大竖向位移

图8为管廊基础桩在不同桩长以及管廊无基础桩条件下邻近综合管廊最大竖向位移的变化曲线。结果表明，综合管廊的竖向位移更容易受到管廊基础桩的影响，水平位移则不明显。管廊桩长逐渐减小时，综合管廊的最大竖向位移逐渐增大，四种工况下综合管廊竖向位移的最大值分别为1.80 mm、1.85 mm、1.89 mm、3.40 mm，有无基础桩两种情况下最大竖向位移相差1.60 mm，变化率为88.9%。可见管廊在采用桩基础的情况下，其竖向位移会相对较小。