基于PLAXIS的地下空間基坑開挖對周邊防汛管線設(shè)施的影響分析

王 捷

(上海市水利工程設(shè)計研究院有限公司，上海 200061)

1 概 述

隨著城市發(fā)展的提速和規(guī)模的擴大，其規(guī)劃和建設(shè)水平也在不斷提高，城市地下空間的開發(fā)利用變得越來越普及。基坑開挖工程是地下空間施工的必要步驟，但施工開挖過程中往往對周邊的防汛設(shè)施產(chǎn)生一定影響，如導(dǎo)致周邊排水管線、防汛墻產(chǎn)生不均勻沉降等。因此，建立合適有效的巖土力學(xué)模型，分析并預(yù)測基坑開挖工程對周邊防汛設(shè)施的影響，是十分必要的。PLAXIS 2D/3D程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能強大的通用巖土有限元計算軟件，已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項目的有限元分析中。本文以金顓工業(yè)園地下空間基坑開挖工程為例，應(yīng)用PLAXIS 2D有限元分析軟件模擬基坑開挖對周邊防汛管線設(shè)施的影響，預(yù)測影響范圍內(nèi)管線設(shè)施的沉降量，并給出該基坑支護方案施工對周邊防汛管線設(shè)施的影響評價。

2 工程概況

2.1 項目概況

上海顓橋工業(yè)發(fā)展有限公司金顓科創(chuàng)園基地位于上海市閔行區(qū)顓橋鎮(zhèn)，在嘉閔高架路以東，北松公路以北。其總建筑面積36987.1m2，其中地上總建筑面積32793.8m2，地下公共空間部分建筑面積4193.3m2，建筑密度39.4%，容積率2.0，綠地面積3841.8m2，綠化率20.1%，集中綠地率5.6%。該項目地下公共空間共1層，主要由地下機動車庫和消防水池組成，地下室結(jié)構(gòu)底板頂標高-5.75m(項目建成后地坪標高以±0.00m計)，壁厚為0.5m，地下室抗震設(shè)防烈度為7度，防水等級為二級，地下室基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)。

本項目地下工程開挖基坑圍護采用工法樁(加勁水泥土攪拌樁)結(jié)合鋼支撐，局部深坑采用雙軸攪拌樁進行圍護加強，并采用壓密注漿進行封底。

2.2 地質(zhì)概況

擬建場地坐落于上海市閔行區(qū)顓橋鎮(zhèn)。擬建場區(qū)地貌形態(tài)單一，屬濱海平原地貌類型。現(xiàn)狀地面高程在4.01～4.65m范圍內(nèi)，高差為0.64m。

2.2.1 地下土層情況

根據(jù)詳勘報告描述，擬建場地地基土在40.0m深度范圍內(nèi)均為第四系沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土組成，擬建場地范圍內(nèi)從上至下主要為①-1雜填土、②褐黃—灰黃色粉質(zhì)黏土等六種土層組成。上述土層中①、②、③、④、⑤層土屬全新世Q4沉積物，各層土體主要力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

2.2.2 地下水情況

擬建場地淺部土層中地下水類型為孔隙潛水，實測地下水穩(wěn)定水位埋深平均為1.00m。承壓水分布深度在地下27.9m及以上，依據(jù)詳勘報告結(jié)論，基坑開挖6.0m時，承壓水不會對基坑產(chǎn)生不利影響。

2.3 基坑影響范圍內(nèi)防汛設(shè)施狀況

論證范圍為基坑邊緣外側(cè)距離基坑開挖深度4倍的范圍。根據(jù)建設(shè)方提供的周邊環(huán)境圖，本報告統(tǒng)計了本項目地下工程鄰近河道及市政管線的基本情況，見表2。

表2 項目周邊防汛設(shè)施匯

續(xù)表

本工程基坑開挖最深處約6.0m，因此采用4倍基坑開挖深度來判斷基坑周邊的防汛設(shè)施是否在論證范圍。

根據(jù)表2，本項目四倍基坑開挖深度范圍內(nèi)的防汛設(shè)施為北松公路下DN300給水管及中春大廈地塊下DN400雨水管、DN300污水管，并且北松公路下DN800雨水管距離四倍基坑開挖深度范圍較近，也納入本次論證范圍。

3 基坑設(shè)計方案介紹

根據(jù)基坑開挖深度及周邊環(huán)境條件，本項目基坑圍護設(shè)計方案擬采用工法樁(土工法)結(jié)合鋼支撐圍護形式，局部深坑采用雙軸攪拌樁進行圍護，并采用壓密注漿進行封底。具體參數(shù)如下：基坑開挖深度約6.00m，圍護墻采用土工法(12.0m長H500×300×11×18型鋼和15.0m長雙軸水泥土攪拌樁φ700@1200，水泥摻量13%，插一跳一)，支撐結(jié)構(gòu)前期采用兩道φ609×16mm鋼支撐，待地下空間底板完工并達到設(shè)計強度后拆除第二道鋼支撐。局部深坑采用雙軸攪拌樁(樁長4.0～6.0m，其余參數(shù)同圍護樁)進行圍護加強，并采用壓密注漿進行封底(見圖1)。

圖1 圍護典型剖面圖

土方開挖前要進行基坑降水，基坑坑內(nèi)采用輕型井點降水方案，具體方案為坑內(nèi)采用真空泵降至坑底或局部落深區(qū)以下1.0m。坑外維持自然水位。

4 環(huán)境影響數(shù)值模擬分析計算和結(jié)果

4.1 模型分析與建立

4.1.1 模型分析與建立

a.結(jié)構(gòu)屬性確立。本工程基坑圍護結(jié)構(gòu)體系擬采用“土工法+鋼管支撐”的圍護設(shè)計方案，參考《巖土工程數(shù)值分析》，因HS模型應(yīng)用于基坑開挖和隧道施工等地下工程的分析時具有較好的精度和適用性，本工程涉及的土體采用HS模型。計算中不同分層土體的重度、黏聚力、摩擦角等參數(shù)由勘察報告提供，彈性模量在勘察報告的基礎(chǔ)上根據(jù)大量類似工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)反演得到；加勁水泥土樁采用線彈性地連墻模擬；土體和加勁水泥土樁之間的相互作用，采用彈塑性無厚度界面單元進行模擬。

b.結(jié)構(gòu)參數(shù)。圍護結(jié)構(gòu)與鄰近管線相應(yīng)的截面積、重度與慣性矩等幾何參數(shù)均折算到每延米范圍上來確定。SMW工法樁剛度按等代法折算，為安全計，未考慮剛度提高系數(shù)α。計算中考慮臨近道路施工荷載按20kN/m2計。滲流條件根據(jù)不同開挖深度分別采用潛水位和穩(wěn)態(tài)地下滲流。

c.網(wǎng)格劃分和邊界條件?；佑嬎憧紤]對稱選取一半剖面建模，采用等三角形十五節(jié)點平面單元模擬土體?；觾?nèi)外計算寬度各取為50m，計算深度取地表以下35m。模型中水平向為X向，豎直向為Y向，且對X邊界施加X向與Y向的位移約束，Y邊界施加X向約束。有限元模型網(wǎng)格見圖2。

圖2 有限元模型網(wǎng)格

4.1.2 模型計算

選取北松公路方向作為典型剖面，對計算剖面簡化分析，建立平面有限元模型進行數(shù)值模擬計算，對基坑開挖卸荷作用產(chǎn)生的變形進行預(yù)測分析。具體依據(jù)基坑施工開挖步驟，結(jié)合PLAXIS軟件自身功能特性進行分步模擬及計算(見表3)。

表3 模型計算工況和計算內(nèi)容

4.2 模型計算結(jié)果

根據(jù)PLAXIS有限元軟件的計算結(jié)果，本項目基坑工程開挖方案在周邊防汛設(shè)施管線的影響范圍內(nèi)產(chǎn)生的沉降量均小于規(guī)定允許值(10mm)，論證了設(shè)計方案滿足對周邊防汛設(shè)施保護的要求(見圖3～圖7、表4)。

表4 管線設(shè)施位移計算結(jié)果

圖3 有限元模型網(wǎng)格

圖4 DN300給水管水平向位移

圖5 DN300給水管豎直向位移

圖6 DN800污水管水平向位移

圖7 DN800污水管豎直向位移

5 結(jié) 語

本文通過金顓工業(yè)園地下空間基坑開挖工程實例，應(yīng)用PLAXIS 2D有限元分析軟件模擬基坑開挖對周邊防汛管線設(shè)施的影響，預(yù)測影響范圍內(nèi)管線設(shè)施的沉降量。通過計算可知，本工程通過加勁水泥土圍護、設(shè)置兩道支撐并利用結(jié)構(gòu)底板換撐、坑前土體加固等措施可有效減少基坑開挖工程對周邊防汛管線設(shè)施的影響，計算位移結(jié)果均滿足規(guī)定允許值，該基坑圍護方案滿足基坑開挖對周邊防汛管線設(shè)施的保護要求。因此，本文的相關(guān)研究對類似工程相關(guān)工作以及利用PLAXIS軟件分析基坑開挖工程對周邊防汛設(shè)施管線的影響具有一定的參考價值。