斜抛撑支护基坑开挖对邻近综合管廊的影响分析

方舒新， 蔡奇鹏， 马阳阳， 肖朝昀， 黄翀， 凌庆宇， 林鼎宗

(1. 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021； 2. 厦门市政管廊投资管理有限公司， 福建 厦门 361000； 3. 华宇(福建)置业集团有限公司， 福建 三明 353000)

随着地下空间的不断开发利用，临近既有综合管廊的基坑开挖案例日渐增多.如何确保地下综合管廊免受邻近工程施工影响成为地下综合管廊保护的重要课题.目前，关于综合管廊的研究多集中于综合管廊结构的力学性能、地震作用响应等方面，关于基坑开挖对临近地下综合管廊影响的研究尚不多见.田子玄[1]通过综合管廊足尺试验，发现装配叠合式构件的延性优于现浇构件.杨仕升等[2]研究综合管廊节点的地震响应，发现结构相交处在地震作用下受力较大，但整体性能较好.夏亚锋[3]通过数值模拟研究发现随着埋深的增加，综合管廊各节点处应力集中现象加剧，综合管廊整体变形增大.

基坑开挖会引起土层应力释放和基坑周边土体位移，从而对临近地下建筑产生不利影响.魏纲等[4]采用明德林(Mindlin)解计算基坑开挖对下卧盾构隧道的附加荷载，推导出隧道的纵向变形量、环间剪切力、错台量和环间转角的计算公式.田帅[5]通过选取合理的基坑围护方案，细化上跨基坑开挖方式，可有效减少基坑开挖对下卧隧道的影响.高广运等[6]发现隧道与基坑水平间距越大，基坑开挖引起的隧道最终水平位移越小.李顺群等[7]发现基坑在开挖期间，坑外土体在水平和竖向均表现为卸荷作用，坑外不同位置隧道均向基坑方向偏移.许四法等[8]通过现场实测，得到邻近基坑隧道从围护结构施工开始至开挖结束全过程的变形发展规律.以上研究有助于进一步分析基坑开挖对邻近综合管廊的影响.相较于隧道而言，综合管廊的埋深一般较浅，且断面形式往往不同，故基坑开挖对邻近综合管廊与隧道的受力及变形特性的影响也存在差异.基于此，本文以福建省厦门市某临近既有综合管廊基坑开挖项目为例，对斜抛撑支护基坑开挖对邻近综合管廊的影响进行分析.

1 工程背景

综合管廊与基坑的相对位置，如图1所示.该项目的基坑平面呈四边形，长、宽均约为180 m；项目拟建一层地下室，基坑开挖深度为4.20～6.90 m.邻近综合管廊为胶结预应力拼装式，综合管廊外边线与基坑水平距离为10 m，小于国家标准GB 51354-2019《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》[9]中规定的安全控制距离(15 m).综合管廊总长度约6 km，截面尺寸为5.65 m×3.40 m(宽×高)，覆土深度为2 m.

图1 综合管廊与基坑的相对位置Fig.1 Relative position of utility tunnel and foundation pit

工程典型地层如下：杂填土，厚度为4.0 m；淤泥，厚度为2.0 m；粗砂，厚度为3.1 m；残积砂质粘性土，厚度为14.6 m；全风化花岗岩，厚度为6.3 m；砂砾状强风化花岗岩，未揭穿.

基坑采用SMW工法桩+斜抛撑支护体系；搅拌桩采用3Φ850@600三轴水泥土搅拌桩，桩长为12 m；搅拌桩内插HN700×300@1 200型钢，型钢长度为12 m；斜抛撑采用Φ609×16钢管，长度为15 m，支撑间距为8 m.

2 数值建模及结果分析

2.1 模型尺寸网格划分及边界条件

模型尺寸，如图2所示.采用FLAC3D有限差分软件建立三维数值模型，选取邻近综合管廊一侧基坑中部的典型开挖断面进行计算，依据斜抛撑支护间距，断面模型沿综合管廊轴线方向的计算厚度取8 m；土体模型高度和基坑开挖深度分别取5He(30 m)，He(6 m)，He为基坑开挖深度；当基坑开挖宽度大于5He时，基坑开挖宽度的增大对支护桩及坑内外土体的影响较小[10]，故模型沿垂直于综合管廊轴线方向的基坑开挖尺寸取5He(30 m)；土体模型总长度为100 m；综合管廊与基坑间距为10 m；综合管廊截面尺寸为5.6 m×3.4 m(宽×高)，综合管廊壁厚为0.3 m.

图2 模型尺寸(单位：m) 图3 刚度等效示意图(单位：mm) Fig.2 Dimensions of model (unit: m) Fig.3 Schematic diagram of equivalent stiffness (unit: mm)

刚度等效示意图，如图3所示.图3中：l为H型钢的间距；hc为等效地连墙厚度，经计算，等效地连墙厚度取510 mm.

SMW工法桩按刚度等效的原则简化为混凝土地连墙，由于H型钢采用“插一跳一”方法布置，故以两根水泥土搅拌桩为计算单位，刚度等效计算公式为

(1)

式(1)中：EaIa，EbIb分别表示H型钢和水泥土搅拌桩的刚度；Ec为C30混凝土的弹性模量.

为简化计算，地连墙及综合管廊结构均采用衬砌单元进行模拟.

边界条件与网格划分，如图4所示.土体模型采用六面体单元，共划分为24 000个网格.土体模型的底面施加固定约束，约束底面土体单元3个方向的位移；土体模型的4个侧面施加滚轴边界条件，允许侧面土体单元产生竖向位移，约束其水平位移，以模拟模型外土体的约束作用.模拟围护墙及综合管廊的单元网格与接触的土体单元网格一致.斜抛撑及冠梁均采用梁单元模拟，激活斜抛撑后，约束斜抛撑底部节点3个方向的位移.

图4 边界条件与网格划分Fig.4 Boundary conditions and mesh generation

2.2 本构模型与土体参数

徐中华等[11]对比不同土体的本构模型在基坑开挖数值模拟中的适用性，发现采用单一刚度的摩尔库伦(MC)模型会导致很大的坑底回弹，且难以得到合理的墙体及坑外土体变形；而修正剑桥(MCC)模型和硬化土(HS)模型考虑了土体硬化特性及加载、卸载行为的影响，适合于敏感环境下基坑开挖数值分析.针对HS模型所需参数较多，获取参数困难等问题，文献[12-13]采用C++语言对MC模型进行二次开发，引入土体小应变刚度非线性特征曲线[14]，以考虑土体刚度随随着应变的变化.

采用改进后的MC模型为本构模型，土体参数如表1所示.表1中：γ0.7为剪切模量G为0.7G0时对应的剪切应变(G0为初始剪切模量)[15]；ν为泊松比；E0为初始弹性模量，E0=2(1+ν)G0；Efin为最终弹性模量(大应变弹模)，Efin取3Es1-2～5Es1-2，Es1-2为压缩模量；c为粘聚力；φ为摩擦角；ρ为土体密度.

表1 本构模型的土体参数Tab.1 Soil parameters of constitutive model

剪切模量与剪切应变的关系为

(2)

式(2)中：G0取9Es1-2～30Es1-2，换算系数根据不同土体进行取值，对于淤泥质土，换算系数取9～12，对于砂土，换算系数取10～20，对于黏性土，换算系数取15～30[16]；α为常数，α=0.385[17]；γ为剪切应变.

模拟围护墙及综合管廊衬砌单元的弹性模量和泊松比分别为30 GPa，0.20.衬砌单元与土体间设置接触面，接触面法向刚度kn和切向刚度ks的计算公式为kn=ks=(K+4G/3)/Δzmin，K为体积模量；Δzmin为衬砌单元临近土体网格的最小尺寸.经计算可得，kn=ks=480 MPa·m-1.模拟斜抛撑的梁单元的弹性模量和泊松比分别为200 GPa，0.25.

2.3 斜抛撑支护基坑开挖模拟步骤

斜抛撑支护基坑开挖模拟有以下4个步骤：1) 进行初始地应力平衡，建立综合管廊、围护墙模型，并将模型产生的位移清零；2) 分别完成非预留土台开挖1～3(图5)；3) 激活斜抛撑；4) 分别完成预留土台开挖4，5.

图5 基坑开挖顺序及主要尺寸(单位：m)Fig.5 Foundation pit excavation sequence and main dimensions (unit: m)

2.4 数值结果分析

SMW工法桩水平位移，如图6所示.图6中：sh为SMW工法桩水平位移；h为埋深.由图6可知：进行非预留土台开挖1～3时，SMW工法桩上未施加斜抛撑，仅受到预留土台的支护作用，此时实测SMW工法桩桩顶的位移最大；进行预留土台开挖4，5时，斜抛撑已施加，限制了SMW工法桩桩顶位移的发展；预留土台开挖后，SMW工法桩产生较大水平变形，实测最大水平位移约为6 mm，位于地表以下3 m处.

图6 SMW工法桩水平位移 图7 坑外地表沉降 Fig.6 Horizontal displacement of SMW construction method pile Fig.7 Surface settlement outside foundation pit

基坑开挖后，坑外地表沉降，如图7所示.图7中：sv为地表沉降；ds为计算点与SMW工法桩的距离.由图7可知：基坑开挖后的坑外地表沉降(模拟值)曲线为凹槽型；进行非预留土台开挖1～3时，坑外地表沉降模拟值较小，未超过1 mm；进行预留土台开挖4，5时，坑外地表沉降模拟值明显增大，最大值为3.5 mm，位于坑外4.5 m处(0.75He)；预留土台开挖5完成后，紧邻围护墙的地表沉降模拟值与冠梁顶沉降实测值较为接近，约为2 mm.

开挖过程中，坑外地表沉降曲线的影响范围均不超过12 m(2He)，这与文献[18]的结论一致.由于综合管廊距离基坑10 m，表明综合管廊位于墙后凹型沉降槽的边界附近.

基坑开挖前、后的综合管廊截面对比图，如图8所示.图8中：基坑开挖后的综合管廊截面图已放大10 000倍.

(a) 基坑开挖前 (b) 基坑开挖后图8 基坑开挖前、后综合管廊截面对比图Fig.8 Utility tunnel cross section comparison before and after foundation pit excavation

由图8及相关计算可知：开挖完成后，综合管廊截面发生剪切变形，综合管廊顶板相对底板发生朝向基坑一侧的剪切移动；综合管廊还产生朝向基坑的水平位移和沉降，水平位移和沉降分别为0.5，0.1 mm，均未超过GB 51354-2019《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》[9]的预警值.

3 综合管廊与基坑距离对综合管廊的影响

在保持基坑开挖深度(6 m)、SMW工法桩长度(12 m)、综合管廊埋深(2 m)不变的前提下，进一步将综合管廊与基坑距离(D)由10 m分别减小至8，6，4，2 m，展开数值分析，研究综合管廊与基坑距离对基坑土体位移场分布、综合管廊位移和变形、综合管廊周围土体应力分布的影响.

3.1 基坑土体位移场分布

基坑开挖完成后，坑外土体合位移等值线图，如图9所示.图9中：dh为土体与基坑的水平距离；dv为土体与地表的竖向距离；等值线的数字表示坑外土体的合位移，单位为mm；β为合位移等于1 mm的等值线与水平方向夹角.

(a) 无邻近综合管廊 (b) D=10 m (c) D=8 m

(d) D=6 m (e) D=4 m (f) D=2 m图9 坑外土体合位移等值线图Fig.9 Contour map of combined displacement of soil outside foundation pit

由图9可知：当无邻近综合管廊时，基坑开挖完成后坑外土体产生斜向下朝向基坑的位移，合位移等于1 mm的等值线与水平方向的夹角为45°；当综合管廊与基坑距离为10 m时，综合管廊主要位于稳定土体区域内，综合管廊对坑外土体的位移没有影响；当综合管廊与基坑距离分别减小至8，6，4 m时，合位移等于1 mm的等值线逐渐变陡，与水平方向的夹角分别增大至47°，53°，63°，等值线绕过综合管廊顶板靠近基坑一侧腋角，并延伸至地表，综合管廊顶板靠近基坑一侧腋角部分进入坑外土体位移区；当综合管廊与基坑距离为2 m时，综合管廊完全进入坑外土体位移区，此时，合位移等于1 mm的等值线与水平方向夹角减小为41°，并绕过综合管廊基础，从综合管廊底板远离基坑一侧的腋角延伸至地表，由于综合管廊较大的刚度起到“加固”坑外土体的作用，坑外土体的合位移显著减小.

3.2 综合管廊位移和变形

综合管廊与基坑距离对综合管廊位移的影响，如图10所示.图10中：st为综合管廊位移；st，GH1～st，GH4分别为4个腋角的水平位移，水平位移以朝向基坑为正；st，GV1～st，GV4分别为4个腋角的竖向位移，竖向位移以沉降为正.由图10可知：基坑开挖完成后，综合管廊4个腋角均发生朝向基坑的水平位移；综合管廊顶板腋角1，2的水平位移基本相等，且大于底板腋角3，4的水平位移，这可能是由于综合管廊还发生了朝向基坑的倾斜；当综合管廊与基坑距离由10 m减小至2 m时，基坑开挖引起的综合管廊的水平位移逐渐增大，综合管廊与基坑距离和综合管廊水平位移近似成反比关系.

图10 综合管廊与基坑距离对综合管廊位移的影响 图11 综合管廊与基坑距离对综合管廊倾斜的影响Fig.10 Effect of distance between utility tunnel and foundation pit on displacement of utility tunnel Fig.11 Effect of distance between utility tunnel and foundation pit on incline of utility tunnel

由图10还可知：基坑开挖完成后，同一侧墙两个腋角的竖向位移基本相等；当综合管廊与基坑距离为4～10 m时，综合管廊左、右侧墙的竖向位移基本相等；当综合管廊与基坑距离减小至2 m时，临近基坑的综合管廊侧墙发生沉降，而远离基坑的综合管廊侧墙则发生上抬.

综合管廊与基坑距离对综合管廊倾斜的影响，如图11所示.图11中：综合管廊倾斜度(ζ)为顶板腋角1，2的竖向位移差除以综合管廊宽度(B).由图11可知：当综合管廊与基坑距离为6～10 m时，综合管廊几乎不发生倾斜；当综合管廊与基坑距离分别减小至4，2 m时，综合管廊发生朝向基坑一侧的倾斜，倾斜度分别为0.002%，0.008%，表明在基坑开挖的影响下，综合管廊发生朝向基坑一侧的倾斜，这是由于随着综合管廊与基坑距离的减小，综合管廊逐渐进入坑外土体位移区，与周边土体产生协同变形.

3.3 综合管廊周围土体应力分布

综合管廊与基坑距离为2 m时，基坑开挖引起的综合管廊位移和倾斜较为显著，综合管廊周围土体的应力分布，如图12所示.

(a) 基坑开挖前 (b) 基坑开挖后图12 综合管廊周围土体的应力分布(单位：kN·m-2)Fig.12 Stress distribution of soil around utility tunnel (unit: kN·m-2)

由相关计算可知：基坑开挖前，综合管廊结构四周土压力呈对称分布，综合管廊侧墙外的水平土压力合力约为133 kN·m-1；当基坑开挖后，临近基坑侧墙和远离基坑侧墙的土压力合力分别减少为107，64 kN·m-1；综合管廊两侧墙产生朝向基坑的水平推力为43 kN·m-1，使综合管廊产生朝向基坑的变形和水平位移；当综合管廊与基坑距离分别增大至4，6，8，10 m时，基坑开挖引起的综合管廊水平推力分别减小为17，9，6，5 kN·m-1，这是由于综合管廊受到基坑开挖引起的土层应力释放的影响.

4 结论

1) 采用SMW工法桩+斜抛撑支护体系时，坑外地表沉降的影响范围不超过12 m(2He)，最大沉降位于坑外4.5 m(0.75He)处.

2) 基坑开挖完成后，坑外土体影响区内发生朝向坑底的位移；随着综合管廊与基坑距离的减小，综合管廊逐渐进入坑外土体位移区；当综合管廊完全进入坑外土体位移区时，综合管廊起到“加固”坑外土体的作用，坑外土体合位移显著减小.

3) 基坑开挖引起的综合管廊水平位移随着综合管廊与基坑距离的增大而减小，近似成反比关系.在基坑开挖影响下，综合管廊发生朝向基坑一侧倾斜，倾斜度随着综合管廊与基坑距离的减小而增大.

4) 基坑开挖前，综合管廊结构四周土压力呈对称分布；基坑开挖后，临近基坑侧墙和远离基坑侧墙的土压力均减少，且临近基坑侧墙的土压力减少量较大，使综合管廊产生朝向基坑的变形和水平位移.