深基坑開挖對支護結構和臨近管涵的影響研究

成昊凌，郭 燁，陳 羽，王斌斌

(中國建筑第八工程局有限公司，上海 200000)

0 引言

隨著城市用地日益緊張，城市建筑群中新基坑開挖區域常處于高層建筑、綜合管道和道路密集區，開挖過程中不可避免地導致土體擾動，引起臨近綜合管涵產生附加位移，進而導致管涵內部出現開裂風險[1-4]，作為隱蔽工程的綜合管涵承擔城市排水、煤氣、電纜、通信等多種功能，一旦位移較大引起破壞，會對居民生活和基坑施工造成很大影響[5]。因此如何在滿足基坑自身支護要求的情況下進一步滿足綜合管涵安全要求至關重要。

近年來國內對基坑開挖下的臨近建筑和管道保護有一定研究，張國慶等[6]和丁智等[7]認為土方開挖、降水措施等因素都會引起臨近建筑產生位移；吳伯建等[8]認為不同支護形式對臨近建筑的位移影響不同；王樹和等[9]利用有限元軟件發現懸臂樁支護下的綜合管道位移隨開挖深度逐漸增大，但側向位移明顯大于豎向位移；王樹和等[10]發現土釘墻支護下的基坑開挖時，臨近地下管道豎向位移明顯大于側向位移；張陳蓉等[11]基于位移控制理論，認為板式支護體系下管線豎向和側向位移相差不大，土體和管道位移具有相關性，土體在距離基坑中部時達到最大；么夢陽[12]確定了不同抗滑樁、錨索設計參數對深基坑位移的影響；李向群等[13]對當前開挖對地下管線的影響進行匯總，認為當前模擬研究應與工程實際具有匹配性。

綜上來看，目前研究主要集中在單一支護結構對綜合管道的變形分析上，但在深基坑中不同支護形式和設計參數對管道以及各支護結構的聯合位移影響還不充分。因此本文以甘肅農業大學圖書館基坑支護工程為背景，運用數值模擬和現場監測的方法，對部分支護形式下的基坑支護結構和綜合管涵穩定性進行綜合分析，并對所選方案進行設計參數研究，同時與現場監測數據對比，以便為基坑開挖中的地下綜合管涵穩定性提供參考。

1 工程概況

甘肅農業大學新圖書館建設項目位于甘肅農業大學院內，擬建1棟11層圖書館，基坑開挖深度介于11.8～12.5m，每層開挖深度不超過1.5～2m，整體設計采用復合土釘墻，由于基坑西南部區域為塔式起重機和綜合管涵區域，基坑局部邊坡需進行加強設計。

根據勘探情況，基坑西南側土體分為3層，第1層為2.3m厚雜填土，第2層為9.2m厚素填土，第3層為卵石層。結合室內試驗及原位測試結果，基坑所處土層參數如表1所示。

表1 土層參數

2 數值模型建立

基坑三維尺寸為25m×8m×17.5m，土體采用Mohr-coulomb模型，基坑土層分布如圖 1所示。基坑分8層開挖，總開挖深度12.5m，單層開挖最大深度不超過2m，如圖2所示。

圖1 土層分布模型

圖2 基坑開挖模型(單位：m)

基坑支護結構擬采用多種設計：①設計1 掛網噴混凝土+錨索；②設計2 掛網噴混凝土+鋼樁；③設計3 掛網噴混凝土+錨索(間隔排布)+鋼樁；④設計4 掛網噴混凝土+錨索(全排排布)+鋼樁。支護示意如圖3所示，土釘墻采用shell單元、錨索采用cable單元、鋼樁和冠梁采用beam單元，部分支護結構參數如表 2，3所示。

圖3 基坑支護模型

表2 鋼樁、冠梁參數

表3 錨索參數

3 計算結果與分析

3.1 不同設計方案對比

3.1.1不同設計方案綜合管涵位移對比

通過對綜合管涵監測點1，2進行變形監測，獲得管涵的水平和豎向位移(見圖4)。各方案的最大水平和豎向位移分別為：①方案1 57mm和60mm(開挖至第5層時失穩嚴重，未進行后續開挖模擬)；②方案2 42mm和36mm；③方案3 19.8mm和15.6mm；④方案4 7.8mm和4.6mm。根據GB50497—2019《建筑基坑工程監測技術規范》[14]，方案1和方案2均超過臨近管線允許最大位移。

圖4 不同設計方案綜合管涵位移對比

隨開挖深度的增大，各方案綜合管涵位移均出現驟降；方案1中豎向位移大于水平位移；方案2中豎向位移與水平位移的對比存在波動性；方案3，4中豎向位移小于水平位移。綜上來看，不同支護形式中水平和豎向位移的對比區別很大，因此實際工程中要注意對管道水平和豎向位移進行同時監測，且在開挖過程中應注意位移速率突增現象。

3.1.2不同設計方案掛網噴混凝土位移對比(見圖5)

根據GB50497—2019[14]表8.0.4，結合圖5a當前深基坑結構中僅采用掛網噴混凝土和預應力錨索方案，支護結構頂部和深部位移無法滿足規范要求；方案2中頂部位移滿足要求，深部水平位移75mm，超過規范要求的60mm。方案3，4的頂部水平和豎向位移滿足規范要求。

圖5 不同設計方案掛網噴混凝土位移對比

方案2，3，4中，掛網噴混凝土最大側向位移集中在基坑開挖中部區域，豎向位移隨開挖深度增加逐漸增大，但抗滑樁的存在極大降低了各方案的豎向位移。

3.2 不同錨索預應力

為進一步優化支護方案，在方案3的基礎上，研究不同錨索預應力對各支護變形的影響，選取預應力大小為30，60，75，90，120，150kN。

3.2.1綜合管涵位移對比

各錨索預應力下的綜合管涵位移如圖6所示，從圖6可得，錨索預應力30kN時水平和豎向位移分別達到最大值：21.68mm和18.07mm，錨索預應力180kN時水平和豎向位移分別達到最小值：17.58mm和14mm。

圖6 不同錨索預應力下綜合管涵位移

隨著錨索預應力的增加綜合管涵的水平和豎向位移逐漸降低，且隨預應力的增加綜合管涵的位移增長速度逐漸降低；水平位移的相對變化幅度為22%，其中相對變化幅度=(最大值-最小值)/最小值，豎向位移相對變化幅度29%，錨索預應力的變化并沒有顯著影響豎向位移和水平位移的比值。

3.2.2掛網噴混凝土位移對比

各錨索預應力下的掛網噴混凝土位移如圖7所示，從圖7可得，30kN時掛網噴混凝土位移達到最大：深部水平位移38.78mm、頂層水平位移7.17mm、深層豎向位移0.45mm 頂層豎向位移0.7mm。180kN時位移最小：深部水平位移34.71mm、頂層水平位移4.32mm、深層豎向位移0.38mm、頂層豎向位移0.69mm。

圖7 不同錨索預應力下掛網噴混凝土位移

深層水平位移相對變化幅度為12%，頂層水平位移相對變化幅度為66%。深層豎向位移相對變化幅度為18%，頂層豎向位移相對變化幅度為1%；從變化趨勢來看，隨著預應力的增加，水平位移變化較為明顯，特別是頂層水平位移相對變化幅度明顯大于深層水平位移；豎向位移數值并沒有顯著變化；各預應力下的頂部和深層位移均滿足規范要求。

3.2.3抗滑樁位移對比

各錨索預應力下的抗滑樁位移如圖8所示，從圖8可得，錨索預應力30kN時水平位移分別達到最大值8.93mm、豎向位移達到最小值0.32mm，錨180kN時水平位移最小6.97mm、豎向位移達到最大值0.35mm。

圖8 不同錨索預應力下抗滑樁位移

水平位移相對變化幅度28%，豎向位移相對變化幅度9%；隨著預應力增大，水平位移呈線性減小趨勢，豎向位移呈線性增大趨勢。

綜上來看，錨索預應力大小的改變，對各支護結構相對變化幅度的影響排序為：掛網噴混凝土頂部水平位移(66%)>綜合管涵豎向位移(29%)>抗滑樁水平位移(28%)>綜合管涵水平位移(22%)>掛網噴混凝土深層豎向位移(18%)>掛網噴混凝土頂部水平位移(12%)>抗滑樁水平位移(9%)>掛網噴混凝土頂層豎向位移(1%)。此外，掛網噴混凝土和抗滑樁的豎向位移盡管存在相對變化幅度，但整體變化不超過1mm，絕對數值變化幅度極小。

3.3 不同抗滑樁間距

為進一步優化支護方案，在方案4的基礎上，研究不同樁間距對各支護變形的影響，選取樁間距為50，65，75，80，90，100cm。

3.3.1綜合管涵位移對比

不同樁間距下綜合管涵的位移變化如圖9所示。由圖可得對綜合管涵的位移而言，抗滑樁存在合理間距，在基坑寬度為8m，抗滑樁間距在50～75cm區間時，管涵的水平和豎向位移整體穩定未出現明顯變化，當抗滑樁間距達到80cm時，管涵位移出現上升趨勢，樁間距達到90cm以后，位移突然陡增。

圖9 不同抗滑樁間距下綜合管涵位移變化

樁間距為50～90cm，管涵水平和豎向位移在90cm樁間距下達到最大值27.41，15.09mm；在50cm樁間距時水平和豎向位移達到最小值7.26mm和4.22mm，水平位移相對變化幅度278%，豎向位移相對變化幅度258%。超過90cm 樁間距后綜合管涵水平和豎向位移暴增至217，112 mm。

3.3.2掛網噴混凝土位移對比

雞湯煨好了，我扯了把稻草，包住瓦罐，抱著就往上塆去。到了金寶屋里，他坐在山墻邊的矮凳上，頭埋在褲襠里，見我進門，忙抬頭招呼：“她細嬸兒過來了哈。”

不同抗滑樁間距下的掛網噴混凝土位移如圖 10所示，從圖 10可得，在當前基坑寬度取值8 m，抗滑樁間距位于50～75cm區間時，掛網噴混凝土頂層和深層位移未發生顯著變化。樁間距超過75cm后深部水平位移最先出現變化；樁間距達到90cm之后，各部位位移均出現大幅變化。樁間距90cm及以內時，支護結構的位移較為理想。

圖10 不同抗滑樁間距下掛網噴混凝土位移變化

掛網噴混凝土的變形對樁間距敏感性存在臨界值，且深部水平位移最為敏感、其次為頂層豎向位移、深部豎向位移、頂層水平位移。

3.3.3抗滑樁位移對比

各樁間距下的抗滑樁位移如圖11所示，從圖11可得，隨著樁間距的增大抗滑樁水平和豎向位移均呈現上升趨勢；各樁間距下的豎向位移較小，抗滑樁整體以水平位移為主，且隨著樁間距的增大，水平位移增大趨勢呈現上升狀態。

圖11 不同抗滑樁間距下綜合管涵位移變化

樁間距為50cm時，抗滑樁水平和豎向位移分別達到最小值：1.32mm和0.2mm；樁間距為100cm和90cm時，抗滑樁水平和豎向位移分別達到最大值：3.1mm和0.36mm。抗滑樁水平位移相對變化幅度為135%，豎向變形相對幅度為80%。抗滑樁的水平位移對樁間距變化更加敏感。

4 現場監測與模擬對比

甘肅農業大學新圖書館項目西南側基坑支護方案最終選型如圖12所示，支護結構與模擬方案3相似。

圖12 基坑西南區支護結構

圖13 JC11點監測曲線

隨著基坑開挖深度不斷加深，監測點水平位移、豎向位移變化速率逐漸加快，位移累計值逐漸增大，開挖結束后基坑整體變形趨于穩定，實測結果的變化趨勢與方案3的數值模擬曲線具有相似性。

基坑支護結構頂部各監測點(JC1～JC12)水平位移變化趨勢均為向基坑內位移，其水平位移累計變形量為10.30～17.00mm，累計最大變形點為綜合管涵區域JC11監測點，實測值為17mm，數值模擬值為19.7mm，整體變化趨勢也是向基坑內位移。

基坑支護結構頂部各監測點(JC1～JC12)豎向位移變化趨勢均為下沉，其豎向位移累計變形量為9.7～15.1mm，JC11豎向變形實測值為13.89mm，數值模擬值為16.2mm，豎向位移變化趨也表現為下沉。

5 結語

1)不同支護形式的研究中，垂直開挖深基坑僅采用預應力錨索和土釘墻無法滿足綜合管涵和支護結構位移要求。不同支護形式的綜合管涵豎向和水平位移存在一定差異性；掛網噴混凝土的最大位移集中出現在基坑中部。

2)不同錨索預應力下，掛網噴混凝土頂部水平位移、抗滑樁水平位移、綜合管涵水平位移對預應力的改變較為敏感；錨索預應力的改變對管涵和支護結構的豎向變形絕對值影響較小。

3)不同抗滑樁間距下，在一定樁間距內，管涵的水平和豎向位移整體穩定未出現明顯變化，當抗滑樁間距達到臨界值時，管涵位移急劇增大；掛網噴混凝土的變形對樁間距敏感性也存在臨界值，且深部水平位移對臨界值最為敏感；抗滑樁的水平位移對樁間距變化最敏感，隨著樁間距增大，抗滑樁的水平位移持續增大。