基坑开挖对邻近箱涵影响的数值模拟

周 亮

(上海市水利工程设计研究院有限公司；上海市水务局防汛减灾工程技术研究中心，上海 200061)

随着我国城镇化进程的不断推进，作为城市公共交通骨干的城市轨道交通正在迅猛发展，据城市轨道交通2018年度统计和分析报告，2018年全年完成城市轨道交通建设投资5470.2亿元，同比增长14.9%。在大量地铁车站建设过程中，基坑工程周边往往存在对位移敏感的构筑物，此时基坑工程设计应在保证强度的前提下，重点关注变形控制[1- 2]。对于管线、箱涵、已有地铁隧道等地下工程，由于它们深埋在地表以下，发生破坏时危害较大且修复困难，因此基坑开挖对其产生的影响研究，是基坑环境工程中的重要课题[3]。王成华[4]、蔡建鹏[5]、张陈蓉[6]分别采用整体有限元分析方法(FCFEM)、位移控制有限元方法(DCFEM)、三维DCFEM法等分析方法，研究了基坑开挖对周边地下管线的影响。王卫东[7]、张培森[8]、郑刚[9]采用PLAXIS、ABAQUS等有限元数值分析方法，研究了基坑开挖对已有地铁区间隧道的影响。对于基坑周边位移敏感构筑物的变形分析，采用的有限元数值模拟分析方法具有较高的可靠性。目前基坑开挖对周边地下构筑物影响的研究，主要集中在地下管线及已有地铁区间隧道，对于箱涵变形影响的相关研究较少。箱涵结构为长方形，与管线及隧道形状差异大，且其埋深一般较浅，外轮廓尺寸较大，壁厚一般在250～400mm之间，材料采用钢筋混凝土结构，其与土体、基坑支护结构的相互作用值得探讨。基于此，本文结合实际工程项目，细致地分析了基坑开挖对邻近箱涵的影响。

1 工程概况

复旦大学邯郸校区中华文明资源中心项目位于杨浦区复旦大学邯郸校区核心区，与轨道交通18号线地铁复旦大学站结合建设。项目设一层地下室，大面积区域结合地铁车站及附属同期共建。除与地铁共建区域外，在车站南北端头井外，还设有两处一层地下室，即本项目基坑A区和B区。A区开挖面积约1600m2，开挖深度约5.8m；B区开挖面积约1500m2，开挖深度约5.2m。基坑周边环境极为复杂，北临校园最核心传统历史保护建筑相辉堂，南临历史保护建筑校史馆，西邻虬江地下箱涵，东临学校次入口，相互关系如图1所示。

图1 基坑总平面图

图2 虬江箱涵剖面图(mm)

表1 HSS模型参数表

A区、B区基坑围护结构距西侧虬江地下箱涵最近距离分别为16.05m、2.0m，基坑均采用φ800mm钻孔灌注桩进行围护，设φ850mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕，坑内沿竖向设一道800mm×800mm钢筋混凝土水平支撑，呈正交对撑和角撑布置。

虬江地下箱涵为合流污水箱涵，箱涵三孔联排，结构壁厚400mm，顶板埋深1.40～1.80m，远基坑两孔为合流污水有压管，单孔孔径为4.25m×3.50m，近基坑第三孔为虬江河道暗埋排水孔，孔径为5.00m×3.50m，箱涵结构如图2所示。箱涵始建于20世纪80年代，属上海市重要污水干线，建设年代久远，结构可能存在薄弱环节，且与B区基坑围护结构最近距离仅2m，为本基坑工程重点保护对象。

2 基坑工程施工动态全过程数值模拟

2.1 几何模型及模型边界条件

对B区基坑剖面进行二维有限元分析。基坑长44m，宽40m，深5.2m。模型左、右侧边界分别取箱涵、围护桩以外30m，底部边界距围护桩底45m。模型变形边界条件取左、右侧边界为法向固定，底部边界完全固定，顶部边界自由。渗流边界条件取左侧、右侧、顶部边界打开，底部关闭。

2.2 土体本构模型选取及参数确定

根据梁发云[10]的研究成果，采用的HSS模型可以考虑小应变范围内土体剪切模量随应变增大而衰减的特点，在上海软土地区基坑开挖数值模拟中具有较好的适用性。本次数值分析采用HSS模型，各土层参数见表1。

灌注桩及箱涵采用板单元模拟，材料类型选用弹性，并在桩体及箱涵设置界面单元模拟桩—土、箱涵—土的相互作用。模拟时箱涵内两个有压孔采用5m压力水头，一个明流孔采用3m常水位，壁厚考虑侵蚀后的削弱作用，取350mm。支撑采用锚锭杆模拟，材料类型选用弹性。

2.3 施工工况模拟

对基坑开挖进行四种不同施工工况下的模拟。工况一：不进行坑底加固，在开槽支撑后分层开挖土体；工况二：对坑底采用Φ850三轴搅拌桩满堂加固，加固深度为地表至围护结构底，先加固土体后开挖；工况三：在箱涵与灌注桩间设回灌井；工况四：对坑底采用Φ850三轴搅拌桩满堂加固的同时设回灌井。各工况下变形网格如图3所示。

图3 基坑施工工况数值模拟

3 结果分析

3.1 不同工况下的影响分析

有限元模拟关注的重点是基坑开挖对邻近地下箱涵的变形影响，在未采取加固措施情况下，箱涵最大水平位移2.687mm，最大竖向位移3.863mm，总体变形不大。箱涵结构与管线或隧道不同，其每25m设一道接缝，接缝宽3cm，采用止水带及聚苯乙烯泡沫板相结合，接缝处底部配600mm×350mm枕梁，该接缝为薄弱部位，应尽量采取措施以进一步控制箱涵变形。采用坑底加固、设回灌井、坑底加固结合回灌井三种加固方案，对不同工况下箱涵变形进行分析，变形统计如图4所示。

从各工况的变形值可以看出，采用工况二坑底加固方案后，箱涵水平位移平均降低50.6%，竖向位移平均降低61.7%；采用工况三设回灌井方案后，箱涵水平位移平均降低24.0%，竖向位移平均降低18.1%；采用工况四坑底加固并设回灌井方案后，箱涵水平位移平均降低53.1%，竖向位移平均降低62.1%。

上述结果表明，采用坑底加固方案对控制地下箱涵变形较为有效，但是方案造价高；采用设回灌井方案后对降低箱涵变形也具有较好的效果，且造价低；采用坑底加固并设回灌井方案效果最显著。

对比工况二及工况四下箱涵变形可知，在采用坑底加固方案后，再设回灌井对控制箱涵变形的效果已不明显，因为坑底加固后基底土渗透系数显著减小，基底渗流减小，此时回灌水效果已不明显。

因④层及以下土的渗透系数仅为②31层土的千分之一，故模拟时取④层及以下土不排水，各工况地下水渗流情况如图5所示。由数模结果可知，在不设回灌井情况下，由于箱涵尺寸较大，延长了渗径，可以降低箱涵侧桩底渗透流量。坑底加固后，加固土体渗透系数减小，可减小基底渗透流量。设回灌井后，由于灌水作用，加大了灌水处基底的渗透流量。

3.2 箱涵壁厚变化的影响分析

虬江地下箱涵始建于20世纪80年代，由于建设年代久远，两孔有压污水管受化学侵蚀严重，实际壁厚较原设计有所减少。为分析壁厚减少对箱涵变形产生的影响，选取300、310、320、330、340、350、360、370、380、390、400mm多种壁厚，以仅坑底加固方案作为计算模型，得出箱涵最大水平、竖向位移，如图6所示。

由分析结果可知，箱涵水平位移随壁厚减少而增大，总体趋势呈线性，在300～400mm区间内，箱涵壁厚每减少10%，水平位移增大7.6%。竖向位移随壁厚减少而增大，以壁厚330mm为拐点，在300～330mm区间内，箱涵壁厚每减少10%，竖向位移增大38.6%；在330～400mm区间内，箱涵壁厚每减少10%，竖向位移增大14.3%。

4 结论与建议

(1)箱涵结构存在变形缝，为抗变形薄弱部位，且箱涵两孔为合流污水有压管，属上海市重要污水干线，故有必要对基坑采取加固措施以减小箱涵变形。

图4 不同工况下箱涵位移值(mm)

图5 各工况地下水渗流情况

图6 箱涵壁厚变化对变形影响趋势

(2)开挖对箱涵变形的影响主要是由于钻孔灌注桩围护墙位移和基坑坑底卸荷回弹，引起基坑外土体损失，从而引起地面沉降，以及基坑降水引起周边地基土体有效应力增加而引起土体沉降。

(3)采用回灌井对基坑外围进行水位回灌可减少基坑开挖降水对箱涵的不利影响，且基底土渗透系数越大，回灌井的效果越显著。但是由于灌水作用，加大了灌水处基底的渗透流量，此时应注意加强基底排水。

(4)采用坑底加固方案可有效减少基坑开挖卸荷导致的坑底土体回弹，从而降低对箱涵的影响，且加固后坑底土体渗透系数减小，可减小基底渗透流量，控制坑外水位降幅。在采用坑底加固后，再采用回灌井对控制变形的效果不大，但仍应设观测井兼回灌井，实时监测水位变化。

(5)箱涵运行年代久远，需考虑长期受侵蚀碳化后壁厚的削弱。箱涵水平位移、竖向位移均随壁厚减少而增大，竖向位移对壁厚变化更敏感。竖向位移在壁厚330mm时存在拐点，此时壁厚减薄导致箱涵竖向位移增幅明显。