城市综合管廊深基坑支护结构体系研究

2023-08-21陈桂然

工程建设与设计 2023年15期

1 引言

随着我国经济迅速发展和城镇化的持续推进，地下工程的建设规模也日益增加。城市综合管廊可以提高地下空间的应用效率，并解决地下结构建设过程中的各种交叉冲突。目前，大部分城市综合管廊项目都是采用明挖法施工，基坑开挖深度较大，施工时间长，不可预见施工风险大[1]。如果基坑支护方案选择不合理，可能出现坍塌事故，造成一定的财产损失或人员伤亡。为了确保施工安全，必须针对城市管廊深基坑进行特殊设计，而不能盲目照搬相邻区域内一般基坑项目的处治方案。因此，进一步分析、探讨城市综合管廊深基坑支护结构和计算方法具有十分重要的工程意义。

2 城市管廊深基坑变形机理及影响因素

2.1 深基坑变形机理

城市管廊深基坑在施工期间，土体开挖卸荷是导致其变形的关键原因。一方面，土体开挖会破坏深基坑坑壁的水土压力平衡，使得深基坑坑壁产生向内的水平变形；另一方面，土体开挖导致基坑底部的自重应力减小，使得坑底土体向上回弹隆起。同时，上述两种变形又会导致深基坑周边地表沉降[2]。

2.1.1 坑壁水平变形

一般情况下，城市管廊深基坑施工是先开挖，再设置水平支撑构件。在基坑开挖初期，坑壁无水平支撑，在主动土压力作用下会产生朝向基坑内侧的水平变形，此时水平位移的峰值出现在基坑顶面。随着水平支撑的施工，坑壁水平位移被约束，其峰值也逐渐向下移动，如图1 所示。

图1 深基坑水平位移变化趋势

2.1.2 坑底隆起变形

相关研究成果表明，当基坑开挖深度较浅时，坑底的隆起变形基本属于弹性变形，基坑开挖结束后变形随之停止。而城市综合管廊深基坑开挖深度较大，除了土体卸荷产生的向上隆起变形外，基坑周边土体的水平位移挤压坑底，也会加剧基坑底部的隆起变形，使得坑底土体的隆起变形呈“中间高四周低”趋势。此时，深基坑隆起不会随开挖结束而恢复，与坑底附加应力大小密切相关，称之为塑性变形。

2.1.3 地表沉降

深基坑周边地表沉降形式主要有三角形和抛物线形两种。当深基坑支护结构嵌入坑底深度较小或开挖后尚设置水平支撑，地表沉降呈三角分布；反之，当深基坑底部土体强度高，且支护结构嵌入深度大，地表沉降多呈抛物线分布[3]。

2.2 深基坑变形影响因素

2.2.1 水文地质条件

城市综合管廊深基坑工程大多位于城市中心，周围建筑物密集，对基坑变形要求十分严格。水文地质条件（如土体的内摩擦角、泊松比、地下水位等）是影响深基坑变形及支护体系选择的关键因素。当深基坑在无黏性砂土地区施工时，由于土体物理力学性能较好，坑底回弹变形较小，水平方向的最大位移一般出现在基坑中间。

2.2.2 设计因素

深基坑支护体系设计内容主要有支护结构和水平支撑的选择、支护结构嵌固深度和布置间距的确定、预应力施加等。如支护结构的嵌固深度越长，其控制变形效果不一定越好。在一定范围内增加嵌固长度，能够减小深支护结构的水平变形，提高基坑底部的抗隆起稳定性。如果超出此范围，继续增加嵌固长度对基坑稳定性的提升效果不明显，反而增加了工程造价，使得设计方案经济性较差。

2.2.3 施工因素

在城市管廊深基坑施工期间具有明显的 “时间效应”和“空间效应”，其施工顺序、施工工艺等对基坑的变形和稳定性有最直接影响。时间效应是指基坑开挖后暴露时间越长，支护结构和周围土体的变形越明显；空间效应是指基坑开挖期间，未扰动土体会对基坑土体的变形产业一定程度的限制作用[4]。

3 城市管廊深基坑支护形式及支护体系类型

常见的综合管廊深基坑支护形式有支挡结构、土钉墙、自然放坡等。

3.1 自然放坡

自然放坡是深基坑开挖最经济的方案，但所需的作业空间是最大的，开挖和回填方量大，一般适用于无地下水且土质较好的路段。如果施工条件允许、安全性验算也满足规范，可将自然放坡作为深基坑开挖的首选方案。同时，自然放坡开挖可单独采用，也可与其他支护形式联合使用。

3.2 土钉墙支护

土钉墙支护对地基土扰动小，造价低，在深基坑开挖中应用十分广泛。顾名思义，土钉墙由“土钉”和“墙”两部分组成，其中土钉是支护结构地主要受力构件，常用土钉类型有钻孔型、打入型、打入注浆型等；墙体通常由钢筋网片、加强筋、喷射混凝土面层等部分组成。土钉墙不适用于以下几种土层[5]：第一，含水丰富的砂层。在开挖时扰动砂层，使得砂层与喷射混凝土间产生软弱滑动层，降低锚固体与地层的黏结性。第二，膨胀类土。膨胀土吸水膨胀后黏聚力迅速降低，在土钉注入胶凝材料时容易出现基坑坍塌。第三，非原状土。这类土固结度较低，黏聚力小，无法为土钉提供足够的握裹力，也导致土钉墙无法发挥其支护作用。

3.3 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩支护属于支挡式结构的一种。在深基坑开挖之前，在基坑周围钻孔并浇筑混凝土，形成排桩以抵抗边坡水、土压力。按照基坑土质和地下水位不同，可分为干作业成孔和湿作业成孔[6]。

干作业成孔深度一般高于地下水位，具有施工简单、施工效率高、质量可靠等有限，适用于黏性土、砂土等；湿作业成孔期间需在孔内灌注泥浆，以达到保护护壁、冷却钻头、预防塌孔、携带钻渣等作用，施工成本较高，适用于地下水位较高的基坑。

4 城市管廊深基坑支护算例分析

有限元法计算精确度高，能够充分考虑基坑区域内土层的不均匀性。因此，笔者选择MIDAS 软件建立计算模型，研究了某城市高新区综合管廊深基坑的变形规律。

4.1 模型尺寸及计算参数

该综合管廊深基坑开挖深度为场平高程以下7 m，两侧边线宽40 m，距南侧边线14 m 处有一条双向两车道的次干路，距右侧边线4 m 处有3 栋高层建筑物群，采用“土钉墙+ 钻孔灌注桩”的联合支护方案。由JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》可知，深基坑开挖对周边地表沉降的影响范围能达到4~5 倍的开挖深度，因此模型尺寸取长×宽×高=240 m×130 m×28 m。

该深基坑地质条件复杂，地层从上至下依次为素填土、强风化及中风化砂质泥岩。各层土的计算参数取值为：素填土重度19 kN/m3、黏聚力5 kPa、内摩擦角10°、弹性模量4.5 MPa；强风化砂质泥岩重度23.5 kN/m3、黏聚力30 kPa、内摩擦角25°、弹性模量20 MPa；中风化砂质泥岩重度25 kN/m3、黏聚力50 kPa、内摩擦角35°、弹性模量36 MPa。