鄰近基坑開挖對既有綜合管廊變形影響研究★

張 景 生

(中交第四公路工程局有限公司，北京 100022)

目前，隨著我國城市化進程的不斷發展，在新城建設和舊城改造中，通過修建城市地下綜合管廊這一科學方法實現統一規劃、統一建設和統一管理。其重要性不言而喻[1,2]。

管廊多處于城市比較繁華的地段，一旦發生故障或破壞都將造成巨大的經濟損失，并引發各種次生災害[3]。當管廊周邊有大型地下工程施工時，將不可避免的對管廊周邊土體豎向應力和水平應力造成影響，進而容易造成管廊的差異性沉降[4,5]。差異性沉降可能使得管廊結構產生開裂，進而影響到管廊的防水。而對于地下管廊的建設和正常運行來說，管廊的防水是重中之重。因此，在建成的管廊附近進行諸如基坑開挖等地下工程時，必須考慮其對管廊的影響。

一般來說，基坑的開挖破壞了基坑附近土體的應力平衡，使土體發生位移，促使地下管廊周圍的土體向基坑方向發生水平位移；同時基坑開挖會引起管廊地基發生差異性的垂直位移[6]。當綜合管廊的差異性位移達到極限控制時，管廊結構會產生裂縫，影響其正常使用。因此，分析基坑開挖對鄰近綜合管廊的變形影響具有一定的現實意義。

目前關于基坑開挖對鄰近地下結構的影響的相關研究主要集中在對鄰近管線的穩定性分析評價上。例如，姜崢[7]從理論方面分析了基坑開挖時單側土體縱向變形的經驗公式，建立了彈性地基梁微分方程，給出了鄰近管線變形和內力的解析解。由于管廊結構及其內部設施荷載作用不可忽略，使得土洞周側應力場及其復雜，不能采用理論方法分析。隨著巖土工程數值計算的發展和應用，各類數值模擬方法(如ANSYS,MIDAS等有限元方法；UDEC,PFC等離散元方法；FLAC,FLAC3D等有限差分方法)均已廣泛應用于各種地質背景的巖土工程問題中，基坑開挖引起的鄰近土體應力場和變形場更加容易分析[8-10]。例如，劉志新[11]通過三維數值模擬分析了地鐵車站設有支撐結構的基坑開挖對鄰近污水管線影響，通過敏感性分析得到了影響管線位移的主要因素。蔡建鵬等[12]從基坑變形統計預測曲線出發，提出了基坑開挖對鄰近地下管線影響分析的DCFEM法，并對不同工況下基坑開挖對鄰近地下管線變形和受力的影響進行了研究。

大量的研究成果為鄰近管隧的開挖工程提供了依據，但這些針對管線穩定性的分析結果如果要應用到綜合管廊問題中還存在著一些不足。例如：目前對管線的影響規律分析以地基失穩或管線縱向較大的差異性沉降引起的管線破壞作為判定標準，而由于地下綜合管廊結構的特殊性，往往忽略管廊結構橫截面差異性沉降引起的開裂問題。另外，相比于其他管線工程，綜合管廊艙體截面復雜，尺寸較大，對防滲要求高，結構及其內部設施荷載作用不可忽略，使得理論研究更為復雜。

本文以漢中市漢寧路中段已建地下綜合管廊為背景，采用MIDAS有限元軟件對管廊一側基坑開挖時開挖深度、基坑分布位置等因素對管廊的變形影響進行分析，得到各因素對管廊變形的影響規律并且給出該場地條件下保證管廊安全的各個影響因素的范圍。研究結果可為類似工程提供參考，并且為已有管廊兩側的基坑設計提供一定的分析方法。

1 工程背景

漢寧路地下綜合管廊采用兩艙形式斷面，管廊結構的設計使用年限為100年。由于該綜合管廊所面臨的城市建筑環境差異較大，對于已建成的地下綜合管廊，將會多次出現沿線進行建筑基坑開挖的情況，如圖1所示。

表1 各土層的物理及水力特性指標

地下綜合管廊采用兩艙形式斷面，分別為管道艙和電力艙，管道艙尺寸B×H=1.9 m×2.6 m，電力艙尺寸B×H=2.2 m×2.6 m，綜合管廊長2.788 km。埋深(即管廊頂部距地表面)約2 m。

2 數值計算模型

2.1 假設條件

1)基坑開挖會對管廊延伸方向(縱向)產生影響。由于管廊可近似看作平面應變問題，且沿縱向設有變形縫，可適當抵消不均勻沉降。為計算方便，采取最不利情況，假定在平截面內，管廊單側開挖時，分析管廊底部兩側的沉降差。

2)雖然管廊出艙口橫截面與標準截面差異較大，但各出艙口間距較大，約20 m設置一個，因此在計算時不考慮出艙口的影響，管廊界面按矩形設置。

3)基坑開挖過程及開挖順序會對管廊周圍土體的應力場和變形場產生影響，但一般開挖施工過程并不是很快，可以認為周圍土體基本處于穩定的平衡狀態，計算時不考慮施工過程，假定其為一次性形成的。

4)管廊位于粉土和中砂層內，其基底位于中砂層上。由于中砂孔隙大，承受較大附加荷載時可能出現減脹現象。但是，在數值模擬分析時，認為管廊底部土體未處于彈塑性變形階段，對于中砂可按彈性模型設置。

5)管廊為明挖施工，上部土體為后期回填土，與原土層有差異，但為方便計算，在建模時將頂部土層仍然設置為原土層特性。

6)將管廊結構和內部設施重力等效于均布荷載，作用在地基土上。

7)計算時假定管廊與土體為光滑接觸。諸如管廊上部車輛等外荷載、上部降雨、周圍環境排水、管廊底部墊層等因素很難分析，在本文中不做研究。

2.2 計算模型

圖2為計算模型示意圖，圖2a)和圖2b)分別為無支撐較淺基坑和含支撐的較深基坑模型。如圖2a)所示，模型中地層分為四層，場地土層厚度、管廊尺寸及埋深均與實際工程一致。土層參數設置如表1所示。在MIDAS中，四種土層均取摩爾—庫侖強度模型。由于基坑寬度對管廊基礎影響不大，因此，假定基坑開挖寬度保持恒定，建模時取為8 m；基坑一側距離管廊最近水平距離為L；基坑開挖深度，即基坑底部距離地表的垂直距離表示為H。

為保證計算精度，減小邊界的影響，取模型計算范圍為管廊左側和基坑右側各取管廊寬度的3倍尺寸。模型的底部為完全約束；計算區域內頂部是完全自由的；水平位移固定在模型的四周邊界面上，垂直方向自由。管廊及設施等效荷載以均布載荷的形式作用在管廊底部。根據管廊結構特征和內部設施情況，等效荷載p在計算時取為p=120 kN/m。

對于較深基坑，必須采用支護結構才能保證兩側邊坡安全，因此對于開挖深度在4 m以上的基坑計算時考慮支護結構。如圖2b)所示，基坑支護結構采用C30鋼筋混凝土，厚度0.6 m；鋼筋混凝土支撐桿尺寸為0.8 m×0.8 m，跨度為10 m，設置在-2 m和-6 m。

計算時，采用8結點實體Solid45單元進行土體模擬；4節點殼單元Shell63，模擬管廊結構；采用組合式彈簧單元對鋼筋混凝土支承梁進行模擬，其剛度、彈性模量，支承梁的截面面積，支承計算長度等參數由相關標準[13]確定。

2.3 安全控制指標的選取

基坑開挖是一個卸載過程，就開挖區域而言，由于基坑開挖使得管廊側向壓力減小，管廊結構在水平方向將承受推力作用；鄰近基坑一側上覆壓力減小，土體可能出現卸荷回彈，即隆起現象。就管廊橫截面方向來看，局部上覆荷載減小，會使得管廊結構在橫截面方向上出現差異沉降。因此，本文在計算時重點監測管廊橫截面底部兩側兩點A和B(分別為遠、近開挖端)的位移。另外，在計算分析時，當應力、位移發生突變異常或計算不收斂時，可以認為管廊周圍土體極限狀態。此狀態下基坑邊坡產生破壞。

從正常使用狀態進行控制，將地基不均勻沉降作為安全控制指標。根據GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術規范[14]中對管廊防滲的相關規定，結合實際工程具體數據，可將本工程中管廊斷面的地基傾斜限制只設定為1‰。

3 結果分析

3.1 基坑開挖深度的影響分析

首先，分析最不利的基坑開挖位置。根據GB 50838—2015城市綜合管廊工程技術規范中對于相鄰地下構筑物的最小凈距的相關規定，基坑與管廊的最小距離H=1 m。另外，根據依托工程的場地情況計算得出，在該場地進行開挖時，開挖深度為4.2 m內，基坑兩側邊坡保持穩定，可以不做結構性支撐。故按圖2a)無支護情形，取L=1 m建立模型。此時，基坑開挖深度(H)成為影響到管廊基礎差異性沉降的主要因素。因此，分別對于不同開挖深度的情形進行計算。開挖深度H從0.5 m開始計算，并按0.5 m增量逐漸增大，H最大取值為4 m，小于無支撐情況時的開挖深度限值。

計算時，對于A,B兩點的位移和應力進行監測，左側A點位移記為U1，右側B點的位移記為U2，并計算兩點間位移差，若大于傾斜限制為1‰，則認為管廊由于基礎過大的不均勻沉降而影響正常使用。

數值計算所得的部分工況下的豎向位移云圖和豎向應力云圖如圖3所示。

從圖3可以看出，開挖深度增加時，管廊底部應力和位移逐漸增大，即基坑開挖(H)越深，變形越大。兩監測點之間的沉降差增大。將L=1 m時各個工況下的計算結果進行整理，得到表2。

表2 無支撐條件下的計算結果(L=1 m)

如表2所示，當H逐漸增大時，U1和U2的值都逐漸增大，但U1的變化相對U2較小。H影響著管廊豎向位移以及管廊結構的傾斜值，且隨開挖深度H的逐漸增大，傾斜值逐漸增加，即管廊兩側差異性沉降逐漸增大。

當H=0.5 m逐漸增大至1.5 m時，計算得到的管廊基礎傾斜值均小于1‰，滿足要求，認為此工況安全，即基坑開挖對管廊結構的影響可以不考慮。將H增大至2 m，管廊基礎傾斜值增加至1.1‰，超過傾斜限值。因此，對于距離L=1 m的基坑開挖，深度超過2 m時，會對綜合管廊產生較大影響。也就是說L=1 m對應的最大開挖深度在1.5 m～2 m之間。

3.2 基坑與管廊距離的影響分析

為了研究基坑與管廊距離L對管廊基礎穩定性的影響，分別建立不同L和不同H的計算模型，針對L逐漸增大和開挖深度逐漸增大的各個工況下管廊基礎底部兩側監測點的沉降差以及傾斜值。計算結果如圖4所示。圖4中虛線為管廊地基傾斜值的限制值(1‰)。

如圖4所示，各曲線變化規律比較相近。對于同一個基坑位置(L一定)，管廊基底傾斜值隨開挖深度呈非線性增長。相比而言，當L越小時，管廊差異性沉降對于開挖深度最為敏感。同一開挖深度，基坑在水平方向越偏離管廊，則其較淺開挖對地基管廊傾斜值影響越小；而開挖深度逐漸接近管廊埋深時，開挖對地基管廊傾斜值影響較大。

另外，如圖4所示，虛線為保障管廊地基安全的傾斜值限值線，該線與各曲線的交點的橫坐標即為選定水平距離的基坑開挖時保證管廊基礎安全的最大開挖深度。

3.3 基坑開挖橫向支撐的影響分析

若基坑開挖深度較大，在開挖過程中會對基坑進行結構性支撐。本小節針對簡單橫向支撐情況下的基坑開挖對管廊地基的影響進行分析。數值計算模型如圖2b)所示，隨開挖深度的增加，每隔2 m設置一道橫向支撐。同樣地，對于L=1.0 m，不同的H對應的工況進行建模計算，可得到各個工況的位移計算云圖、應力計算云圖以及各工況下U1,U2和傾斜值的結果。

圖5為2 m處設置一道橫向支撐，開挖深度為3 m工況下的豎向位移云圖和豎向應力云圖。對比沒有支撐工況，即圖3c)和圖3d)，可以發現，設有橫向支撐時，管廊周側的應力分布更為均衡；管廊底部整體的豎向位移均有所減小，并且管廊兩側的差異性沉降明顯減小。

將L=1 m，設有支撐時各個工況下的計算結果進行整理，得到表3。

表3 有支撐工況下的計算結果(L=1 m)

對比表2和表3可以明顯地看出，在設有支撐情況下，隨著基坑開挖深度的增加，管廊底部兩側沉降值均有適當增大，但增大速度明顯較無支撐時緩慢，且差異性沉降值也較無支撐時明顯減小。對于開挖0.5 m～5 m各工況下所對應的綜合管廊地基傾斜值均小于限值1‰，可以說明基坑開挖不會影響綜合管廊的正常使用。

4 結語

本文以通過數值模擬分析了基坑開挖對鄰近綜合管廊安全穩定的影響。得到了基坑與管廊間距、基坑開挖深度以及基坑支護等因素對管廊基礎差異性沉降的影響規律。主要結論有：

1)基坑開挖深度H影響著管廊豎向位移以及管廊結構的傾斜值，且隨開挖深度H的逐漸增大，傾斜值逐漸增加，即管廊兩側差異性沉降逐漸增大。本文依托工程背景下，基坑最不利位置(L=1 m)對應的最大開挖深度在1.5 m～2 m之間。

2)相比而言，當L越小時，管廊差異性沉降對于開挖深度越為敏感。同一開挖深度，基坑在水平方向越偏離管廊，則其較淺開挖對地基管廊傾斜值影響越小；而開挖深度逐漸接近管廊埋深時，開挖對地基管廊傾斜值影響較大。

3)在設有支撐情況下，隨著基坑開挖深度的增加，管廊底部兩側沉降值均有適當增大，但增大速度明顯較無支撐時緩慢，且差異性沉降值也較無支撐時明顯減小。因此，在鄰近綜合管廊的基坑開挖過程中一定要及時做好結構性支撐，對保證基坑安全和減小對綜合管廊的影響意義重大。