綜合管廊深基坑支護樁長優化分析

楊世宏

（中鐵一局集團有限公司，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、盾構法和頂管法，其中明挖法是最常規的修建工法。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為“狹長”，基坑左右兩側的支擋結構距離較近，對土體產生的約束較大，這對基坑的穩定性更有利。然而目前并沒有專門為地下綜合管廊基坑支護設計制定相關規范，管廊基坑支護設計主要是通過《建筑基坑支護技術規程》[1]等相關設計規范進行計算的，該類規范并未考慮上述近距離圍護結構的情況，比較適用于工民建工程，若用于綜合管廊基坑可能會導致設計結果偏于保守。目前已有部分學者對綜合管廊基坑支護結構優化展開研究，如郁雷（2014）[2]依托于昆山市某綜合管廊工程，為優化基坑支護設計，通過力學計算選擇了合適的HUC組合鋼板樁型號；喬穩超等（2017）[3]和陳浩等（2017）[4]結合六盤水綜合管廊工程，考慮巖溶地區特殊地質條件，通過對管廊基坑內支撐平面、豎向設計比較，確定支護結構優化方案；楊愛良等（2016）[5]以金義都市新區綜合管廊為工程背景，針對管廊交叉口基坑深度、地質情況和周邊環境等特點，分別對基坑兩側邊坡的支護錨桿進行優化。在基坑支護設計中，支護樁已得到了廣泛的應用，由于我國地下綜合管廊建設起步較晚，鮮見針對支護樁優化的研究成果，但關于工民建、橋梁和軌道交通等方面，已有部分學者進行了探討。陶可等（2012）[6]針對某巖溶區橋梁采用的摩擦樁進行樁長優化分析與計算，提升樁底標高，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和基坑深度對灌注樁樁長的影響，為支護樁的優化設計提供理論參考；徐建軍等（2017）[8]針對唐山港某碼頭工程，參考工程實際經驗，將單樁樁長比原設計優化了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，通過數值模擬5種樁長方案模型，分析基坑支護體系結構及周邊地層位移場的變化，結合現場實測數據以分析基坑的安全穩定，驗證樁長優化設計的可靠性，總結出一些對地下綜合管廊深基坑支護設計施工具有參考價值的結論。

1 工程概況

1.1 工程簡介

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

1.2 工程地質與水文地質概況

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

圖1 工程地質剖面圖

1.3 原基坑支護設計

該管廊圍護結構采用?800@1200鉆孔灌注樁+?800@1200雙管旋噴樁止水帷幕+2道內支撐。其中，灌注樁樁長23.7 m，基坑圍護結構剖面見圖2。

2 支護樁深度優化方案

本次研究的管廊深基坑形式與工民建不同，斷面呈“狹長”型，基坑兩側支護樁距離近，對土體約束較大，這有利于管廊基坑穩定。然而管廊基坑支護結構設計時采用的一系列適用于工民建的基坑設計規范未考慮近距離排樁支護的情況，這使得設計結果將偏于保守，且該管廊基坑支護結構中還設置了2道內支撐。因此，筆者認為原支護方案是存在優化空間的。

圖2 基坑支護結構橫剖面圖（單位：mm）

不僅如此，深基坑還是一個復雜的三維空間結構，相關研究表明深基坑存在著空間效應，通過二維平面計算出的結果往往存在優化的空間[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，對狹長型管廊基坑支護樁的樁長進行優化。基于安全可靠原則，提出了4種支護樁深度方案進行比較。

基坑原支護方案設計為?800@1200鉆孔灌注樁，樁長23.7 m，記作Model-1，其他具體支護樁深度設計方案見表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土層。

表1 支護樁深度設計方案

3 優化方案計算分析

3.1 數值模型設計

深基坑開挖支護模型總尺寸為長（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，圍護樁長23.7 m。素填土和淤泥質土采用理想彈塑性模型（MC），中砂層采用小應變土體硬化模型（HSS）。各土層物理參數見表2，支護結構均按線彈性材料考慮，圍護樁采用板單元模擬，內支撐采用梁單元模擬。基坑支護結構材料參數見表3。

表2 巖土體物理力學參數

表3 結構物理力學參數

3.2 計算工況

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

3.3 結果分析

3.3.1 地層豎向位移分析

在不同圍護墻深度下，管廊基坑開挖到底時的地層豎向位移極值結果見表4。

表4 地層豎向位移極值

從表4可知，地表沉降極值出現在墻后一定距離處，沉降槽形態顯著，坑底隆起變形集中在坑底至下部淤泥層范圍內。當圍護墻深度從19.7 m減小到17.7m時，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，而當圍護墻深度從19.7 m增加到23.7 m時，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，繪制其隨圍護墻深度變化曲線見圖3。

圖3 地層豎向位移隨圍護墻深度的變化曲線

圖3 清楚地顯示出了地表沉降量和坑底隆起量隨圍護墻深度的變化，總體上，圍護墻深度越小，地表沉降量和坑底隆起量越大，但該變化規律并非呈線性變化關系，地表沉降量和坑底隆起量隨圍護墻深度變化存在一個轉折點，即圖中用第2道虛線標示的位置。當圍護墻底端嵌入坑底下方淤泥層底面以下達到2倍樁徑（即1.6 m，此時對應的圍護墻總深度為19.6 m）以上時（在第2道虛線右側），地層豎向位移尤其是地表沉降隨圍護墻深度的變化趨于緩和，即此時繼續增加圍護墻深度對地表沉降的控制作用不明顯。反之，當圍護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（此時對應的圍護墻總深度小于19.6 m，在第二道虛線左側），地表沉降和坑底隆起隨圍護墻深度的減小而迅速增大，即此時圍護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出發，提出一個坑底下方存在軟弱層的基坑圍護墻深度確定方法。經過參數變化，方案對比分析，可認為圍護墻底嵌入坑底下方淤泥層底面以下2倍樁徑是一個比較合理的圍護墻深度方案，若嵌入深度過小，則基坑變形較大，不利于基坑安全穩定，若嵌入深度過大，則對基坑變形的控制效率不明顯，經濟性不佳。后文中將從圍護墻側移、圍護墻彎矩及支撐內力等方面，論證上述圍護墻深度嵌入淤泥層底面以下2倍樁徑的合理性。

3.3.2 圍護墻深層水平位移分析

通過對圍護墻水平變形形態分析可知，圍護墻上部因2道內支撐的限制作用產生的側移量較小，當圍護墻深度大、墻底嵌入淤泥層下方較硬的中砂層時，圍護墻側移大致呈弓形，中部側移量最大，位于坑底下方；隨著圍護墻深度的減小，即圍護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，圍護墻側移極值出現的位置逐漸下移，當圍護墻深度減小到淤泥層底面附近，即圍護墻深度17.7 m和18.7 m時，墻底側移量最大，此時圍護墻側移呈踢腳變形模式。各方案下的圍護墻水平位移極值隨圍護墻深度變化曲線見圖 4。

圖4 圍護墻水平位移隨圍護墻深度的變化曲線

從圖4可以看出規律，圍護墻側移量隨著圍護墻深度增大而減小，呈線性變化關系，存在一個轉折點，即圖中用第2道虛線標示的位置。在第2道虛線右側，圍護墻側移隨圍護墻深度的變化趨于緩和，即此時繼續增加圍護墻深度對圍護墻側移的控制作用不明顯。反之，在第二道虛線左側，圍護墻深度變化對圍護墻側移影響顯著。圍護墻深度從19.7 m減小到17.7 m時，圍護墻側移變化速率為50.3 mm/m；當圍護墻深度從19.7 m增加到23.7 m時，圍護墻側移變化速率為4.08 mm/m。

3.3.3 圍護墻彎矩分析

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

表5 圍護墻最大彎矩

圖5 圍護墻彎矩隨圍護墻深度的變化曲線

從表 5和圖5可知，圍護墻深度變化對彎矩分布特征影響不大，與地層沉降和圍護墻側移隨圍護墻深度變化的響應規律相似，即以第2道虛線為分界線，圍護墻彎矩極值往左表現為隨圍護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 支撐內力分析

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

表6 支撐內力極值 kN

圖6 支撐軸力隨圍護墻深度的變化曲線

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

4 現場監測數據分析

經數值模擬分析后，選定Model-3作為綜合管廊深基坑支護工程現場實施方案。現對里程號為GA4+410～GA4+450區間段管廊基坑的進行現場實測，測點平面布置見圖7。

圖7 監測平面圖

4.1 坑外地表沉降監測數據分析

地表沉降監測剖面DB1和DB2隨坑邊距離變化的地表沉降監測曲線見圖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，基坑東西兩側的累計地表沉降最大值為12.3 mm，遠低于控制值30.00 mm，最大沉降出現在距坑邊約6～10 m范圍內。另外，同一監測斷面兩側的沉降形態略有不同，東側沉降走向主要表現為上升趨勢，而待基坑底板施作完畢，布設于西側距坑邊6～15 m范圍內的沉降值卻十分接近，偏差值不超過1 mm，出現這樣在同一斷面兩側的沉降特征不同的原因很可能是東西側地層變化、坑內開挖三維空間效應等因素引起了支護體系的剛體位移。

地表沉降監測剖面DBC1和DBC2隨時間變化的地表沉降監測曲線見圖9。

由圖9所示的沉降時程曲線可知，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，東側累計沉降較西側大，可見，基坑西側現狀環島路上來往車輛的荷載對地表沉降的影響甚微。

4.2 支護樁深層水平位移監測數據分析

監測點CX1、CX2的支護樁深層水平位移監測曲線（以向坑內移動為正）見圖10。

圖9 地表沉降隨時間變化曲線

圖10 支護樁深層水平位移監測曲線

從圖10可知，東西兩側測點的樁體位移監測曲線均表現出隨著基坑開挖深度增大，樁身位移增大的特點，呈典型的“內凸型”。其中，最大位移出現位置在-12～-14 m之間，在基坑底部以下一定距離。可見，被動土區域未提供足夠的支撐，這正是因為該位置細砂和淤泥質土的強度與剛度較低。從圖10還可以看出樁身累計最大側移量為48.21 mm，與數值模擬計算結果相近，發生時間于基坑開挖到底且內支撐均架設完畢。西側的最大位移僅比東側大3.74 mm，可以推斷圍護墻深層水平位移受西側環島路人行道荷載的影響小。

5 結論及建議

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

（2）監測數據表明，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，最大沉降主要出現在距坑邊約6～10 m范圍內；支護樁深層水平位移形態呈“內凸型”，最大位移發生位置在-12～-14 m，累計最大值為48.21 mm。總體上，管廊基坑處于安全穩定狀態，樁長深度的優化設計安全可靠。

（3）施工實踐證明，管廊基坑支護樁樁長以19.7 m取代23.7 m，成功縮短了施工進度，降低施工難度，節約工程成本，減少了不必要的浪費。