某地下綜合管廊深基坑鋼板樁支護結構穩定性計算和分析

王 扉 吳旗悅步 黃立勇 岳文才

（1.廣東順德中心城區投資開發有限公司，廣東 佛山 528322；2.中國建筑第八工程局有限公司，上海 200122）

地下綜合管廊在城市基礎設施投資建設方面越來越受到重視，僅2018年全國就有在建綜合管廊項目455個，總投資約4000億元。明挖基坑是地下綜合管廊施工比較常見的方式，地下綜合管廊明挖基坑一般為深基坑（基坑深度大于5m），屬于危險性超過一定規模的工程，基坑支護結構設計是保證基坑施工安全的重中之重。鋼板樁基坑支護為常見的基坑支護形式，具有施工便捷、可重復利用、經濟效益高等特點。

因此，本文依托佛山市順德區某地下綜合管廊，對地下綜合管廊明挖基坑鋼板樁支護進行整體穩定性、抗隆起穩定性、流土穩定性、支護結構抗彎性能、嵌固深度和土反力等方面進行計算，結合工程實際進行分析，對不同軟件的計算結果進行了比較。

1 工程概況與工程地質條件

1.1 工程概況

佛山順德某K0+400~K0+452段地下綜合管廊全52m，劃分為3個節段；單倉結構，外輪廓尺寸為4.9m×5.7m長，內輪廓尺寸為3.8m×4.6m，頂板、底板及側墻厚度均為0.55m，基坑深度在9.04m~9.20m之間，基坑寬度7.7m。全段采用鋼板樁+鋼支撐支護體系，鋼板樁為IV型拉森鋼板樁，長度24m。鋼管支撐采用Φ 520×12，鋼管支撐水平中心間距為4m，鋼材采用Q235鋼。根據基坑深度和管廊結構設置三道鋼支撐，第一道鋼支撐水平中心線在管廊坑頂標高下0.5m處，第二道鋼支撐水平中心線在第一道鋼支撐下2.5m處，第三道鋼支撐水平中心線在第二道鋼支撐下2m處。基坑范圍內有水泥攪拌樁加固，加固深度為3m。H500×300×11×18雙拼工字鋼腰梁。

1.2 工程地質條件

工程場地位于珠江三角洲沖積平原腹地，沿線地形較為平整，整平后場地標高為1.3m。根據本工程地質勘探報告顯示，本場地地基土由人工填土層、第四系沖積層、第四系殘積層組成，基底巖石為早奧陶世混合花崗巖類風化基巖，風化基巖埋蔵深淺不一。工程地質縱斷面共分主層7層，依次是：①填土層，②淤泥質土層，③粉砂層，④中粗砂層，⑤粉質黏性土層，⑥透鏡體亞層，⑦粉質黏土層。最不利鉆孔各土層參數見表1。

表1 各土層參數表

根據本工程地質勘查資料，本場地地下水主要分為上下兩層，上層為第四系沖積層的松散孔隙水，下層為基巖裂隙水。松散孔隙水含水層為第③層粉砂及第④層中粗砂，屬于中等甚至強透水性，場地分布范圍廣泛，且累計厚度較大，故水量豐富，初見水位埋深在0.5m~3.0m。

2 綜合管廊深基坑設計分析和優化

2.1 單元計算

2.1.1 參數設定

使用理正深基坑7.0進行基坑單元計算，按照設計要求基坑支護結構安全等級為二級，環境保護等級為三級。支護結構重要性系數γ0為1.0，基坑計算深度為9.2m，基坑外側水位深度取值為1m，基坑內部降水為基坑底面下1m。基坑兩側有均布超載，取值為20kPa。基坑坑底加固取值見表2。整體計算方法為條分法，土條寬度取值為0.4m，剛度折減系數K取值為0.85，按設計要求開挖至每道支撐下方0.5m處后即進行圍檁和支撐安裝。

表2 人工加固土參數表

2.1.2 穩定性計算

整體穩定性方面：滑裂面圓弧半徑R為24.269m，整體穩定安全系數Ks為1.305，大于1.30，滿足規范要求。

抗隆起穩定性方面：如果按從支護底部開始，逐層驗算抗隆起穩定性，Ks為2.866，大于1.60，抗隆起穩定性滿足規范要求；如果坑底抗隆起按以最下層支點為轉動軸心的圓弧條分法計算，Ks為2.29，大于1.90，坑底抗隆起穩定性滿足規范要求。

流土穩定性方面：根據基坑安全等級，Kf（流土穩定性安全系數）取值1.50。現計算得到K值為4.07，大于1.50，滿足規范要求。

2.2 整體計算

使用理正深基坑7.0進行整體計算，計算場景為基坑開挖至坑底后。設三道Φ520×12鋼支撐和H500×300×11×18雙拼工字鋼腰梁。支撐橫向和縱向布置間距按照設計要求并采用全有限元方法計算，其余參數設定與單元計算一致。基坑整體最大位移和鋼板樁最大位移分別出現在第三道支撐上方和第三道支撐處，與單元計算結果趨勢接近，但是數值上面差異較大，整體位移最大值和鋼板樁位移（垂直基坑方向）均小于單元計算值。

3 比較和總結

理正深基坑計算結果與現場基坑監測數據基本符合，基坑監測基坑頂部水平位移最大值為19.78mm，介于單元計算和整體計算結果之間。理正計算結果中最大彎矩主要是為了驗證支護結構剛度，而這一內容不在基坑監測要求的范圍內（監測內容主要有基坑頂部水平位移、基坑頂部豎向位移、深層水平位移、地下水位、周邊建筑物沉降、地下管線沉降、支撐內力和周邊地表裂縫）。基坑監測支撐內力最大處發生在基坑開挖至設計底標高時的第三道支撐處，結果整體上與理正結果相符，但是數值上均大于單元計算和整體計算的輸出，主要原因在于：理正采用的空間土抗力法無法考慮周邊建筑荷載與施工荷載對基坑的影響，因為不能設置土單元，也無法添加周邊荷載。由此可以得出結論，理正單元計算和整體計算在管廊基坑鋼板樁支護設計中可以作為計算軟件使用。

4 結語

理正單元計算和整體計算的區別和各自的優缺點主要有：

（1）兩者的研究對象及研究方法不同，單元計算參照經典方法和彈性方法，以單樁或單位寬度的基坑支護結構（排樁或者地連墻）為研究對象進行分析。而整體計算則采用有限元方法，本次分析采用以整個基坑體為研究對象的全有限元分析。此外整體計算還可以采用以整個基坑支護結構為研究對象的支護結構分析。單元計算結果接近公式法計算，更為直觀易懂，且計算過程快速，更適用于基坑支護設計階段。

（2）兩種計算考慮的因素不同。支撐結構的剛度不僅與本身有關，也與周圍桿件和邊界條件有關，因為單元計算方式不能考慮周圍桿件對其剛度的影響，所以在單元計算中不容易確定支撐結構的剛度。同時，單元計算也無法將基坑變形的影響納入其中，因為在不同工況下發生變形后，支撐結構的剛度是隨施工過程不斷變化的。整體計算中，可考慮周圍支護構件、內撐構件、施工工況變化對基坑支護結構應力和應變的影響。周圍環境復雜、地質復雜或者施工過程受力情況變化較大的情況，采用整體計算的方式可充分考慮上述因素影響，保證結果的準確性。

（3）兩者計算結果不同。單元計算和整體計算都可以輸出支護構件位移和內力等結果，但是單元計算無法輸出無內撐結構的結果，而整體計算無法輸出錨索（桿）及穩定驗算的結果。在基坑支護體系中需要進行錨索（桿）設計時，采用單元計算進行試算是一種較為簡便快捷的方法。

由于理正使用的是空間土抗力法，空間的土抗力法所依據的是庫倫剪切破壞公式，一種線性破壞分析，且理正的假設前提是將土考慮為土彈簧。所以，在進一步研究中可以嘗試使用MI?DAS/GTS、ANSYS或者OYSERSAFE等非線性的有限元方法進行模型計算及驗證。