深基坑开挖对支护结构和临近管涵的影响研究

成昊凌，郭 烨，陈 羽，王斌斌

(中国建筑第八工程局有限公司，上海 200000)

0 引言

随着城市用地日益紧张，城市建筑群中新基坑开挖区域常处于高层建筑、综合管道和道路密集区，开挖过程中不可避免地导致土体扰动，引起临近综合管涵产生附加位移，进而导致管涵内部出现开裂风险[1-4]，作为隐蔽工程的综合管涵承担城市排水、煤气、电缆、通信等多种功能，一旦位移较大引起破坏，会对居民生活和基坑施工造成很大影响[5]。因此如何在满足基坑自身支护要求的情况下进一步满足综合管涵安全要求至关重要。

近年来国内对基坑开挖下的临近建筑和管道保护有一定研究，张国庆等[6]和丁智等[7]认为土方开挖、降水措施等因素都会引起临近建筑产生位移；吴伯建等[8]认为不同支护形式对临近建筑的位移影响不同；王树和等[9]利用有限元软件发现悬臂桩支护下的综合管道位移随开挖深度逐渐增大，但侧向位移明显大于竖向位移；王树和等[10]发现土钉墙支护下的基坑开挖时，临近地下管道竖向位移明显大于侧向位移；张陈蓉等[11]基于位移控制理论，认为板式支护体系下管线竖向和侧向位移相差不大，土体和管道位移具有相关性，土体在距离基坑中部时达到最大；么梦阳[12]确定了不同抗滑桩、锚索设计参数对深基坑位移的影响；李向群等[13]对当前开挖对地下管线的影响进行汇总，认为当前模拟研究应与工程实际具有匹配性。

综上来看，目前研究主要集中在单一支护结构对综合管道的变形分析上，但在深基坑中不同支护形式和设计参数对管道以及各支护结构的联合位移影响还不充分。因此本文以甘肃农业大学图书馆基坑支护工程为背景，运用数值模拟和现场监测的方法，对部分支护形式下的基坑支护结构和综合管涵稳定性进行综合分析，并对所选方案进行设计参数研究，同时与现场监测数据对比，以便为基坑开挖中的地下综合管涵稳定性提供参考。

1 工程概况

甘肃农业大学新图书馆建设项目位于甘肃农业大学院内，拟建1栋11层图书馆，基坑开挖深度介于11.8～12.5m，每层开挖深度不超过1.5～2m，整体设计采用复合土钉墙，由于基坑西南部区域为塔式起重机和综合管涵区域，基坑局部边坡需进行加强设计。

根据勘探情况，基坑西南侧土体分为3层，第1层为2.3m厚杂填土，第2层为9.2m厚素填土，第3层为卵石层。结合室内试验及原位测试结果，基坑所处土层参数如表1所示。

表1 土层参数

2 数值模型建立

基坑三维尺寸为25m×8m×17.5m，土体采用Mohr-coulomb模型，基坑土层分布如图 1所示。基坑分8层开挖，总开挖深度12.5m，单层开挖最大深度不超过2m，如图2所示。

图1 土层分布模型

图2 基坑开挖模型(单位：m)

基坑支护结构拟采用多种设计：①设计1 挂网喷混凝土+锚索；②设计2 挂网喷混凝土+钢桩；③设计3 挂网喷混凝土+锚索(间隔排布)+钢桩；④设计4 挂网喷混凝土+锚索(全排排布)+钢桩。支护示意如图3所示，土钉墙采用shell单元、锚索采用cable单元、钢桩和冠梁采用beam单元，部分支护结构参数如表 2，3所示。

图3 基坑支护模型

表2 钢桩、冠梁参数

表3 锚索参数

3 计算结果与分析

3.1 不同设计方案对比

3.1.1不同设计方案综合管涵位移对比

通过对综合管涵监测点1，2进行变形监测，获得管涵的水平和竖向位移(见图4)。各方案的最大水平和竖向位移分别为：①方案1 57mm和60mm(开挖至第5层时失稳严重，未进行后续开挖模拟)；②方案2 42mm和36mm；③方案3 19.8mm和15.6mm；④方案4 7.8mm和4.6mm。根据GB50497—2019《建筑基坑工程监测技术规范》[14]，方案1和方案2均超过临近管线允许最大位移。

图4 不同设计方案综合管涵位移对比

随开挖深度的增大，各方案综合管涵位移均出现骤降；方案1中竖向位移大于水平位移；方案2中竖向位移与水平位移的对比存在波动性；方案3，4中竖向位移小于水平位移。综上来看，不同支护形式中水平和竖向位移的对比区别很大，因此实际工程中要注意对管道水平和竖向位移进行同时监测，且在开挖过程中应注意位移速率突增现象。

3.1.2不同设计方案挂网喷混凝土位移对比(见图5)

根据GB50497—2019[14]表8.0.4，结合图5a当前深基坑结构中仅采用挂网喷混凝土和预应力锚索方案，支护结构顶部和深部位移无法满足规范要求；方案2中顶部位移满足要求，深部水平位移75mm，超过规范要求的60mm。方案3，4的顶部水平和竖向位移满足规范要求。

图5 不同设计方案挂网喷混凝土位移对比

方案2，3，4中，挂网喷混凝土最大侧向位移集中在基坑开挖中部区域，竖向位移随开挖深度增加逐渐增大，但抗滑桩的存在极大降低了各方案的竖向位移。

3.2 不同锚索预应力

为进一步优化支护方案，在方案3的基础上，研究不同锚索预应力对各支护变形的影响，选取预应力大小为30，60，75，90，120，150kN。

3.2.1综合管涵位移对比

各锚索预应力下的综合管涵位移如图6所示，从图6可得，锚索预应力30kN时水平和竖向位移分别达到最大值：21.68mm和18.07mm，锚索预应力180kN时水平和竖向位移分别达到最小值：17.58mm和14mm。

图6 不同锚索预应力下综合管涵位移

随着锚索预应力的增加综合管涵的水平和竖向位移逐渐降低，且随预应力的增加综合管涵的位移增长速度逐渐降低；水平位移的相对变化幅度为22%，其中相对变化幅度=(最大值-最小值)/最小值，竖向位移相对变化幅度29%，锚索预应力的变化并没有显著影响竖向位移和水平位移的比值。

3.2.2挂网喷混凝土位移对比

各锚索预应力下的挂网喷混凝土位移如图7所示，从图7可得，30kN时挂网喷混凝土位移达到最大：深部水平位移38.78mm、顶层水平位移7.17mm、深层竖向位移0.45mm 顶层竖向位移0.7mm。180kN时位移最小：深部水平位移34.71mm、顶层水平位移4.32mm、深层竖向位移0.38mm、顶层竖向位移0.69mm。

图7 不同锚索预应力下挂网喷混凝土位移

深层水平位移相对变化幅度为12%，顶层水平位移相对变化幅度为66%。深层竖向位移相对变化幅度为18%，顶层竖向位移相对变化幅度为1%；从变化趋势来看，随着预应力的增加，水平位移变化较为明显，特别是顶层水平位移相对变化幅度明显大于深层水平位移；竖向位移数值并没有显著变化；各预应力下的顶部和深层位移均满足规范要求。

3.2.3抗滑桩位移对比

各锚索预应力下的抗滑桩位移如图8所示，从图8可得，锚索预应力30kN时水平位移分别达到最大值8.93mm、竖向位移达到最小值0.32mm，锚180kN时水平位移最小6.97mm、竖向位移达到最大值0.35mm。

图8 不同锚索预应力下抗滑桩位移

水平位移相对变化幅度28%，竖向位移相对变化幅度9%；随着预应力增大，水平位移呈线性减小趋势，竖向位移呈线性增大趋势。

综上来看，锚索预应力大小的改变，对各支护结构相对变化幅度的影响排序为：挂网喷混凝土顶部水平位移(66%)>综合管涵竖向位移(29%)>抗滑桩水平位移(28%)>综合管涵水平位移(22%)>挂网喷混凝土深层竖向位移(18%)>挂网喷混凝土顶部水平位移(12%)>抗滑桩水平位移(9%)>挂网喷混凝土顶层竖向位移(1%)。此外，挂网喷混凝土和抗滑桩的竖向位移尽管存在相对变化幅度，但整体变化不超过1mm，绝对数值变化幅度极小。

3.3 不同抗滑桩间距

为进一步优化支护方案，在方案4的基础上，研究不同桩间距对各支护变形的影响，选取桩间距为50，65，75，80，90，100cm。

3.3.1综合管涵位移对比

不同桩间距下综合管涵的位移变化如图9所示。由图可得对综合管涵的位移而言，抗滑桩存在合理间距，在基坑宽度为8m，抗滑桩间距在50～75cm区间时，管涵的水平和竖向位移整体稳定未出现明显变化，当抗滑桩间距达到80cm时，管涵位移出现上升趋势，桩间距达到90cm以后，位移突然陡增。

图9 不同抗滑桩间距下综合管涵位移变化

桩间距为50～90cm，管涵水平和竖向位移在90cm桩间距下达到最大值27.41，15.09mm；在50cm桩间距时水平和竖向位移达到最小值7.26mm和4.22mm，水平位移相对变化幅度278%，竖向位移相对变化幅度258%。超过90cm 桩间距后综合管涵水平和竖向位移暴增至217，112 mm。

3.3.2挂网喷混凝土位移对比

鸡汤煨好了，我扯了把稻草，包住瓦罐，抱着就往上塆去。到了金宝屋里，他坐在山墙边的矮凳上，头埋在裤裆里，见我进门，忙抬头招呼：“她细婶儿过来了哈。”

不同抗滑桩间距下的挂网喷混凝土位移如图 10所示，从图 10可得，在当前基坑宽度取值8 m，抗滑桩间距位于50～75cm区间时，挂网喷混凝土顶层和深层位移未发生显著变化。桩间距超过75cm后深部水平位移最先出现变化；桩间距达到90cm之后，各部位位移均出现大幅变化。桩间距90cm及以内时，支护结构的位移较为理想。

图10 不同抗滑桩间距下挂网喷混凝土位移变化

挂网喷混凝土的变形对桩间距敏感性存在临界值，且深部水平位移最为敏感、其次为顶层竖向位移、深部竖向位移、顶层水平位移。

3.3.3抗滑桩位移对比

各桩间距下的抗滑桩位移如图11所示，从图11可得，随着桩间距的增大抗滑桩水平和竖向位移均呈现上升趋势；各桩间距下的竖向位移较小，抗滑桩整体以水平位移为主，且随着桩间距的增大，水平位移增大趋势呈现上升状态。

图11 不同抗滑桩间距下综合管涵位移变化

桩间距为50cm时，抗滑桩水平和竖向位移分别达到最小值：1.32mm和0.2mm；桩间距为100cm和90cm时，抗滑桩水平和竖向位移分别达到最大值：3.1mm和0.36mm。抗滑桩水平位移相对变化幅度为135%，竖向变形相对幅度为80%。抗滑桩的水平位移对桩间距变化更加敏感。

4 现场监测与模拟对比

甘肃农业大学新图书馆项目西南侧基坑支护方案最终选型如图12所示，支护结构与模拟方案3相似。

图12 基坑西南区支护结构

图13 JC11点监测曲线

随着基坑开挖深度不断加深，监测点水平位移、竖向位移变化速率逐渐加快，位移累计值逐渐增大，开挖结束后基坑整体变形趋于稳定，实测结果的变化趋势与方案3的数值模拟曲线具有相似性。

基坑支护结构顶部各监测点(JC1～JC12)水平位移变化趋势均为向基坑内位移，其水平位移累计变形量为10.30～17.00mm，累计最大变形点为综合管涵区域JC11监测点，实测值为17mm，数值模拟值为19.7mm，整体变化趋势也是向基坑内位移。

基坑支护结构顶部各监测点(JC1～JC12)竖向位移变化趋势均为下沉，其竖向位移累计变形量为9.7～15.1mm，JC11竖向变形实测值为13.89mm，数值模拟值为16.2mm，竖向位移变化趋也表现为下沉。

5 结语

1)不同支护形式的研究中，垂直开挖深基坑仅采用预应力锚索和土钉墙无法满足综合管涵和支护结构位移要求。不同支护形式的综合管涵竖向和水平位移存在一定差异性；挂网喷混凝土的最大位移集中出现在基坑中部。

2)不同锚索预应力下，挂网喷混凝土顶部水平位移、抗滑桩水平位移、综合管涵水平位移对预应力的改变较为敏感；锚索预应力的改变对管涵和支护结构的竖向变形绝对值影响较小。

3)不同抗滑桩间距下，在一定桩间距内，管涵的水平和竖向位移整体稳定未出现明显变化，当抗滑桩间距达到临界值时，管涵位移急剧增大；挂网喷混凝土的变形对桩间距敏感性也存在临界值，且深部水平位移对临界值最为敏感；抗滑桩的水平位移对桩间距变化最敏感，随着桩间距增大，抗滑桩的水平位移持续增大。