綜合管廊深基坑支護(hù)樁長優(yōu)化分析

楊世宏

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

地下綜合管廊施工方法形式多樣，如明挖法、礦山法、盾構(gòu)法和頂管法，其中明挖法是最常規(guī)的修建工法。與工民建基坑不同，城市地下綜合管廊因線路較長，開挖的基坑形式往往表現(xiàn)為“狹長”，基坑左右兩側(cè)的支擋結(jié)構(gòu)距離較近，對土體產(chǎn)生的約束較大，這對基坑的穩(wěn)定性更有利。然而目前并沒有專門為地下綜合管廊基坑支護(hù)設(shè)計(jì)制定相關(guān)規(guī)范，管廊基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要是通過《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[1]等相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算的，該類規(guī)范并未考慮上述近距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)的情況，比較適用于工民建工程，若用于綜合管廊基坑可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果偏于保守。目前已有部分學(xué)者對綜合管廊基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化展開研究，如郁雷（2014）[2]依托于昆山市某綜合管廊工程，為優(yōu)化基坑支護(hù)設(shè)計(jì)，通過力學(xué)計(jì)算選擇了合適的HUC組合鋼板樁型號；喬穩(wěn)超等（2017）[3]和陳浩等（2017）[4]結(jié)合六盤水綜合管廊工程，考慮巖溶地區(qū)特殊地質(zhì)條件，通過對管廊基坑內(nèi)支撐平面、豎向設(shè)計(jì)比較，確定支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案；楊愛良等（2016）[5]以金義都市新區(qū)綜合管廊為工程背景，針對管廊交叉口基坑深度、地質(zhì)情況和周邊環(huán)境等特點(diǎn)，分別對基坑兩側(cè)邊坡的支護(hù)錨桿進(jìn)行優(yōu)化。在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中，支護(hù)樁已得到了廣泛的應(yīng)用，由于我國地下綜合管廊建設(shè)起步較晚，鮮見針對支護(hù)樁優(yōu)化的研究成果，但關(guān)于工民建、橋梁和軌道交通等方面，已有部分學(xué)者進(jìn)行了探討。陶可等（2012）[6]針對某巖溶區(qū)橋梁采用的摩擦樁進(jìn)行樁長優(yōu)化分析與計(jì)算，提升樁底標(biāo)高，減少樁長；林潔等（2014）[7]通過有限元分析，探討了不同土體性質(zhì)和基坑深度對灌注樁樁長的影響，為支護(hù)樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論參考；徐建軍等（2017）[8]針對唐山港某碼頭工程，參考工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，將單樁樁長比原設(shè)計(jì)優(yōu)化了8 m。

基于此，本文以平潭地下綜合管廊深基坑工程為研究背景，通過數(shù)值模擬5種樁長方案模型，分析基坑支護(hù)體系結(jié)構(gòu)及周邊地層位移場的變化，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)以分析基坑的安全穩(wěn)定，驗(yàn)證樁長優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性，總結(jié)出一些對地下綜合管廊深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)施工具有參考價(jià)值的結(jié)論。

1 工程概況

1.1 工程簡介

對平潭實(shí)驗(yàn)區(qū)地下綜合管廊一期干線工程（總長 22.577 km） 取 2標(biāo) GA4+140～GA4+455.32（315.32 m）作為研究段，該區(qū)間的深基坑寬11.9 m，開挖深度8.5～11.5 m。基坑西側(cè)為既有環(huán)島路，東側(cè)主要分布著空地和山體。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘揭示（見圖1）可以看出該區(qū)間段管廊基坑范圍主要地層為素填土、中砂和淤泥質(zhì)土。其中淤泥質(zhì)土以流塑為主，物理力學(xué)性質(zhì)很差；地下水位埋深約為2.0～4.7 m。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

1.3 原基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

該管廊圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?800@1200鉆孔灌注樁+?800@1200雙管旋噴樁止水帷幕+2道內(nèi)支撐。其中，灌注樁樁長23.7 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖2。

2 支護(hù)樁深度優(yōu)化方案

本次研究的管廊深基坑形式與工民建不同，斷面呈“狹長”型，基坑兩側(cè)支護(hù)樁距離近，對土體約束較大，這有利于管廊基坑穩(wěn)定。然而管廊基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的一系列適用于工民建的基坑設(shè)計(jì)規(guī)范未考慮近距離排樁支護(hù)的情況，這使得設(shè)計(jì)結(jié)果將偏于保守，且該管廊基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中還設(shè)置了2道內(nèi)支撐。因此，筆者認(rèn)為原支護(hù)方案是存在優(yōu)化空間的。

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖（單位：mm）

不僅如此，深基坑還是一個(gè)復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，相關(guān)研究表明深基坑存在著空間效應(yīng)，通過二維平面計(jì)算出的結(jié)果往往存在優(yōu)化的空間[9-10]。因此，本文采用有限元法綜合考慮深基坑的三維空間效應(yīng)，對狹長型管廊基坑支護(hù)樁的樁長進(jìn)行優(yōu)化。基于安全可靠原則，提出了4種支護(hù)樁深度方案進(jìn)行比較。

基坑原支護(hù)方案設(shè)計(jì)為?800@1200鉆孔灌注樁，樁長23.7 m，記作Model-1，其他具體支護(hù)樁深度設(shè)計(jì)方案見表1。其中Model-3的樁長嵌入淤泥層底面以下1.7 m，Model-5的樁端未穿透坑底下方的淤泥質(zhì)土層。

表1 支護(hù)樁深度設(shè)計(jì)方案

3 優(yōu)化方案計(jì)算分析

3.1 數(shù)值模型設(shè)計(jì)

深基坑開挖支護(hù)模型總尺寸為長（y）×寬（x）×高（z）=50 m×12 m×30 m。基坑開挖深度取 10 m，地下水位取3.5 m，圍護(hù)樁長23.7 m。素填土和淤泥質(zhì)土采用理想彈塑性模型（MC），中砂層采用小應(yīng)變土體硬化模型（HSS）。各土層物理參數(shù)見表2，支護(hù)結(jié)構(gòu)均按線彈性材料考慮，圍護(hù)樁采用板單元模擬，內(nèi)支撐采用梁單元模擬?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表3。

表2 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

3.2 計(jì)算工況

按照施工過程依次模擬分析，計(jì)算工況步驟如下：（1）初始地應(yīng)力平衡，記作 CS0；（2）支護(hù)樁施工，開挖至 -1.0 m，記作 CS1；（3）設(shè)置第 1道撐，開挖至 -4.0 m，記作 CS2；（4）設(shè)置第 2道撐，開挖至-10.0 m，記作CS3。

3.3 結(jié)果分析

3.3.1 地層豎向位移分析

在不同圍護(hù)墻深度下，管廊基坑開挖到底時(shí)的地層豎向位移極值結(jié)果見表4。

表4 地層豎向位移極值

從表4可知，地表沉降極值出現(xiàn)在墻后一定距離處，沉降槽形態(tài)顯著，坑底隆起變形集中在坑底至下部淤泥層范圍內(nèi)。當(dāng)圍護(hù)墻深度從19.7 m減小到17.7m時(shí)，地表最大沉降量從-41.36mm激增至-109.7 mm，樁長變化引起的地表沉降變化速率為34.17 mm/m，而當(dāng)圍護(hù)墻深度從19.7 m增加到23.7 m時(shí)，地表最大沉降量從-41.36 mm減小為-24.93 mm，地表沉降變化速率為4.11 mm/m，2種條件下的圍護(hù)墻深度變化影響程度差異顯著。

提取各方案下的地表沉降極值和坑底隆起極值，繪制其隨圍護(hù)墻深度變化曲線見圖3。

圖3 地層豎向位移隨圍護(hù)墻深度的變化曲線

圖3 清楚地顯示出了地表沉降量和坑底隆起量隨圍護(hù)墻深度的變化，總體上，圍護(hù)墻深度越小，地表沉降量和坑底隆起量越大，但該變化規(guī)律并非呈線性變化關(guān)系，地表沉降量和坑底隆起量隨圍護(hù)墻深度變化存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即圖中用第2道虛線標(biāo)示的位置。當(dāng)圍護(hù)墻底端嵌入坑底下方淤泥層底面以下達(dá)到2倍樁徑（即1.6 m，此時(shí)對應(yīng)的圍護(hù)墻總深度為19.6 m）以上時(shí)（在第2道虛線右側(cè)），地層豎向位移尤其是地表沉降隨圍護(hù)墻深度的變化趨于緩和，即此時(shí)繼續(xù)增加圍護(hù)墻深度對地表沉降的控制作用不明顯。反之，當(dāng)圍護(hù)墻底端嵌入坑底下方淤泥層底面以下的深度小于2倍樁徑時(shí)（此時(shí)對應(yīng)的圍護(hù)墻總深度小于19.6 m，在第二道虛線左側(cè)），地表沉降和坑底隆起隨圍護(hù)墻深度的減小而迅速增大，即此時(shí)圍護(hù)墻深度變化對地層豎向位移影響十分顯著。

基于上述分析，可從地層豎向位移這一指標(biāo)出發(fā)，提出一個(gè)坑底下方存在軟弱層的基坑圍護(hù)墻深度確定方法。經(jīng)過參數(shù)變化，方案對比分析，可認(rèn)為圍護(hù)墻底嵌入坑底下方淤泥層底面以下2倍樁徑是一個(gè)比較合理的圍護(hù)墻深度方案，若嵌入深度過小，則基坑變形較大，不利于基坑安全穩(wěn)定，若嵌入深度過大，則對基坑變形的控制效率不明顯，經(jīng)濟(jì)性不佳。后文中將從圍護(hù)墻側(cè)移、圍護(hù)墻彎矩及支撐內(nèi)力等方面，論證上述圍護(hù)墻深度嵌入淤泥層底面以下2倍樁徑的合理性。

3.3.2 圍護(hù)墻深層水平位移分析

通過對圍護(hù)墻水平變形形態(tài)分析可知，圍護(hù)墻上部因2道內(nèi)支撐的限制作用產(chǎn)生的側(cè)移量較小，當(dāng)圍護(hù)墻深度大、墻底嵌入淤泥層下方較硬的中砂層時(shí)，圍護(hù)墻側(cè)移大致呈弓形，中部側(cè)移量最大，位于坑底下方；隨著圍護(hù)墻深度的減小，即圍護(hù)墻底嵌入中砂層的深度減小，甚至減小到完全位于軟弱的淤泥層中，圍護(hù)墻側(cè)移極值出現(xiàn)的位置逐漸下移，當(dāng)圍護(hù)墻深度減小到淤泥層底面附近，即圍護(hù)墻深度17.7 m和18.7 m時(shí)，墻底側(cè)移量最大，此時(shí)圍護(hù)墻側(cè)移呈踢腳變形模式。各方案下的圍護(hù)墻水平位移極值隨圍護(hù)墻深度變化曲線見圖 4。

圖4 圍護(hù)墻水平位移隨圍護(hù)墻深度的變化曲線

從圖4可以看出規(guī)律，圍護(hù)墻側(cè)移量隨著圍護(hù)墻深度增大而減小，呈線性變化關(guān)系，存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即圖中用第2道虛線標(biāo)示的位置。在第2道虛線右側(cè)，圍護(hù)墻側(cè)移隨圍護(hù)墻深度的變化趨于緩和，即此時(shí)繼續(xù)增加圍護(hù)墻深度對圍護(hù)墻側(cè)移的控制作用不明顯。反之，在第二道虛線左側(cè)，圍護(hù)墻深度變化對圍護(hù)墻側(cè)移影響顯著。圍護(hù)墻深度從19.7 m減小到17.7 m時(shí)，圍護(hù)墻側(cè)移變化速率為50.3 mm/m；當(dāng)圍護(hù)墻深度從19.7 m增加到23.7 m時(shí)，圍護(hù)墻側(cè)移變化速率為4.08 mm/m。

3.3.3 圍護(hù)墻彎矩分析

管廊基坑開挖到底時(shí)的各個(gè)模擬方案的圍護(hù)墻最大彎矩見表5。隨圍護(hù)墻深度變化曲線見圖5。

表5 圍護(hù)墻最大彎矩

圖5 圍護(hù)墻彎矩隨圍護(hù)墻深度的變化曲線

從表 5和圖5可知，圍護(hù)墻深度變化對彎矩分布特征影響不大，與地層沉降和圍護(hù)墻側(cè)移隨圍護(hù)墻深度變化的響應(yīng)規(guī)律相似，即以第2道虛線為分界線，圍護(hù)墻彎矩極值往左表現(xiàn)為隨圍護(hù)墻深度的減小而迅速增大，彎矩最大值為2 400 kN·m，往右變化趨于緩和。

3.3.4 支撐內(nèi)力分析

不同優(yōu)化方案下各施工階段的支撐內(nèi)力極值見表6。各方案下的圍護(hù)墻彎矩極值，繪制其隨圍護(hù)墻深度變化曲線見圖6。

表6 支撐內(nèi)力極值 kN

圖6 支撐軸力隨圍護(hù)墻深度的變化曲線

從表6和圖6可以看出，第1道支撐為受拉狀態(tài)（受拉為正，受壓為負(fù)），第2道支撐處于受壓狀態(tài)。當(dāng)圍護(hù)墻底端嵌入坑底下方淤泥層底面以下達(dá)到2倍樁徑以上時(shí)，繼續(xù)增加圍護(hù)墻深度對支撐軸力的影響減弱；小于2倍樁徑時(shí)，對支撐軸力受圍護(hù)墻深度變化影響很大。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

經(jīng)數(shù)值模擬分析后，選定Model-3作為綜合管廊深基坑支護(hù)工程現(xiàn)場實(shí)施方案。現(xiàn)對里程號為GA4+410～GA4+450區(qū)間段管廊基坑的進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，測點(diǎn)平面布置見圖7。

圖7 監(jiān)測平面圖

4.1 坑外地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

地表沉降監(jiān)測剖面DB1和DB2隨坑邊距離變化的地表沉降監(jiān)測曲線見圖8。

圖8 地表沉降隨距離變化曲線

由圖8可知，坑外地表沉降隨基坑開挖過程逐漸增大，基坑?xùn)|西兩側(cè)的累計(jì)地表沉降最大值為12.3 mm，遠(yuǎn)低于控制值30.00 mm，最大沉降出現(xiàn)在距坑邊約6～10 m范圍內(nèi)。另外，同一監(jiān)測斷面兩側(cè)的沉降形態(tài)略有不同，東側(cè)沉降走向主要表現(xiàn)為上升趨勢，而待基坑底板施作完畢，布設(shè)于西側(cè)距坑邊6～15 m范圍內(nèi)的沉降值卻十分接近，偏差值不超過1 mm，出現(xiàn)這樣在同一斷面兩側(cè)的沉降特征不同的原因很可能是東西側(cè)地層變化、坑內(nèi)開挖三維空間效應(yīng)等因素引起了支護(hù)體系的剛體位移。

地表沉降監(jiān)測剖面DBC1和DBC2隨時(shí)間變化的地表沉降監(jiān)測曲線見圖9。

由圖9所示的沉降時(shí)程曲線可知，隨著基坑開挖，地表沉降速率逐漸增大，待基坑施作底板后地表沉降基本收斂；總體上，東側(cè)累計(jì)沉降較西側(cè)大，可見，基坑西側(cè)現(xiàn)狀環(huán)島路上來往車輛的荷載對地表沉降的影響甚微。

4.2 支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測點(diǎn)CX1、CX2的支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測曲線（以向坑內(nèi)移動(dòng)為正）見圖10。

圖9 地表沉降隨時(shí)間變化曲線

圖10 支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測曲線

從圖10可知，東西兩側(cè)測點(diǎn)的樁體位移監(jiān)測曲線均表現(xiàn)出隨著基坑開挖深度增大，樁身位移增大的特點(diǎn)，呈典型的“內(nèi)凸型”。其中，最大位移出現(xiàn)位置在-12～-14 m之間，在基坑底部以下一定距離。可見，被動(dòng)土區(qū)域未提供足夠的支撐，這正是因?yàn)樵撐恢眉?xì)砂和淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度與剛度較低。從圖10還可以看出樁身累計(jì)最大側(cè)移量為48.21 mm，與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相近，發(fā)生時(shí)間于基坑開挖到底且內(nèi)支撐均架設(shè)完畢。西側(cè)的最大位移僅比東側(cè)大3.74 mm，可以推斷圍護(hù)墻深層水平位移受西側(cè)環(huán)島路人行道荷載的影響小。

5 結(jié)論及建議

（1）圍護(hù)墻底嵌入基坑底下方淤泥層底面以下2倍樁徑是一個(gè)比較合理的圍護(hù)墻深度方案。若嵌入深度過小，則基坑變形較大，不利于基坑安全穩(wěn)定，若嵌入深度過大，則對基坑變形的控制效性不佳。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，管廊坑外地表沉降隨基坑開挖過程逐漸增大，最大值為12.3 mm，最大沉降主要出現(xiàn)在距坑邊約6～10 m范圍內(nèi)；支護(hù)樁深層水平位移形態(tài)呈“內(nèi)凸型”，最大位移發(fā)生位置在-12～-14 m，累計(jì)最大值為48.21 mm?？傮w上，管廊基坑處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，樁長深度的優(yōu)化設(shè)計(jì)安全可靠。

（3）施工實(shí)踐證明，管廊基坑支護(hù)樁樁長以19.7 m取代23.7 m，成功縮短了施工進(jìn)度，降低施工難度，節(jié)約工程成本，減少了不必要的浪費(fèi)。