軟土地區(qū)頂管基坑開挖對高速路堤的影響分析

馬志明

（上海能源建設(shè)集團有限公司，上海市200122）

0 引 言

伴隨城市建設(shè)進程，區(qū)域的組團發(fā)展對能源的需求越發(fā)強烈，尤其需要實現(xiàn)區(qū)域間的連通，這不僅保障能源安全，更為主干能源網(wǎng)的集中管理提供便捷。在推進能源建設(shè)過程中，高速公路路堤往往阻礙了管網(wǎng)的順利敷設(shè)，此時常采用頂管技術(shù)實現(xiàn)能源連接。近年來頂管技術(shù)發(fā)展也較為成熟[1]，然而施工前需開挖工作坑和接收坑，深基坑的開挖難免對高速公路路堤產(chǎn)生擾動。尤其，在我國東部沿海地區(qū)大量分布著沉積相的軟土，軟土具有含水量高、抗剪強度低、壓縮性大、敏感度高等工程特性[1]。在軟土地區(qū)開挖基坑，如果時空效應控制不利，往往圍護變形較大，進而危及高速公路的安全運營。另外，高速公路的超載和路面動荷載也影響著基坑本體的安全，基坑開挖卸載與周邊動靜超載相互作用，使得基坑的受力和變形特性更加復雜。因此，較準確的預測基坑開挖對高速路堤的影響對保證運營安全有著顯著的意義。

國內(nèi)學者[2-4]針對高速鐵路受臨近深基坑開挖的影響進行過一定的研究，但針對高速公路的影響分析鮮有提及。

本文以上海某頂管工程穿越高速公路為背景，通過建立有限元模型與基坑變形實測數(shù)據(jù)對比驗證模型合理性，進一步預測開挖卸載與路堤超載共同作用下路堤的變形情況，供相似工程設(shè)計與施工借鑒和參考。

1 工程概況

上海某頂管工程穿越S4 高速及南橋收費站匝道等共3 處（如圖1 所示意），頂管管道采用φ1 016×15.9 mm 鋼管。本次選擇3# 頂管對應的工作坑和接收坑作為研究對象，工作坑開挖6.62 m，平面尺寸11.5×4.5 m，接收坑開挖深度8.13 m，平面尺寸6×4.5 m，基坑沿高速公路兩側(cè)近似對稱布置，距離高速公路約20 m。

圖1 某頂管工程下穿高速公路示意圖

根據(jù)基坑工程規(guī)范[5]，頂管工作坑安全等級為三級，接收坑安全等級為二級，環(huán)境保護等級均為三級。兩處基坑均采用D650 型鋼水泥土攪拌墻圍護型式（如圖2 接收坑斷面所示），型鋼尺寸H500×300×13×11，插一跳一，樁長14/17 m。基坑豎向設(shè)置兩道支撐（接收坑首道僅采用混凝土圍檁），坑內(nèi)和進出洞均采用三軸攪拌樁加固，坑內(nèi)加固深度為3 m。

圖2 接收坑圍護橫斷面示意圖（單位：mm）

基坑周邊場地標高約4.0 m，路堤標高約5.2 m，屬正常的軟土海相沉積區(qū)。自上而下地基土主要由飽和黏性土、粉性土和砂土組成，即：填土、1 褐黃～灰黃色粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、灰色淤泥質(zhì)黏土、1 灰色黏土。土層物理力學性質(zhì)詳見表1。

表1 場地土層物理力學性質(zhì)

場地淺部分布地下水為潛水類型，水位變化主要受控于大氣降水、地面蒸發(fā)及地表水的補給與調(diào)節(jié)，主要補給來源為大氣降水和周邊河道。潛水位埋深一般為地表下0.5～1.3 m，年平均地下水位為地表下0.5～0.7 m，平均水位標高3.30 m。設(shè)計高水位0.5 m、低水位1.5 m。本次基坑工程不涉及承壓水突涌問題。

2 數(shù)值模型

2.1 模型建立

采用大型有限元計算軟件PLAXIS2D 建立頂管工作坑、接收坑、高速公路路堤及周邊土體的數(shù)值模型，網(wǎng)格劃分見圖3。為減小有限元模型的邊界效應，模型取寬160 m，高70 m。整個模型底部約束豎向位移，兩側(cè)約束水平位移。

圖3 有限元模型

PLAXIS 2D 程序是由荷蘭PLAXIS B.V.公司推出的一款功能強大的通用巖土有限元計算軟件，已廣泛應用于基坑與周邊環(huán)境相互影響、盾構(gòu)隧道與周邊既有構(gòu)建筑相互作用、軟土滲流固結(jié)分析、地下建筑抗震性能分析等各種復雜巖土工程項目的有限元分析。PLAXIS 系列程序具有專業(yè)、高效、強大、穩(wěn)定等特點，逐漸成為巖土工程界不可或缺的數(shù)值分析工具。

本模型中土體簡化為水平向均質(zhì)，單元采用多節(jié)點（n=15）的平面應變單元來模擬，其力學模型采用Hardening-Soil 模型，土層物理力學參數(shù)取值按照表1 選取，其他參數(shù)按照表2 選取。基坑工程最典型的力學行為即為卸載，Hardening-Soil 模型能夠較好的模擬這一力學行為[6]。型鋼水泥土攪拌墻圍護根據(jù)剛度等效原則進行折減，采用板單元模擬。板單元與土體設(shè)置接觸單元模擬結(jié)構(gòu)與土的共同作用。支撐采用彈性桿來模擬，剛度根據(jù)間距進行折減計算。高速公路超載按照基坑周邊設(shè)計靜載的1.3 倍，即26 kPa 考慮。地下水位為-0.5 m，但不考慮滲流作用。

表2 各土層參數(shù)選取值

2.2 施工模擬

模擬基坑開挖施工過程需采用分步計算，主要計算步驟如下：

（1）計算土體在自重作用下產(chǎn)生得初始地層應力；

（2）開挖工作坑，激活工作坑圍護結(jié)構(gòu)單元，分步殺死坑內(nèi)的土體單元和激活對應支撐，并考慮地下水位的變化；

（3）開挖接收坑，激活接收坑圍護結(jié)構(gòu)單元，分步殺死坑內(nèi)的土體單元和激活對應支撐，并考慮地下水位的變化。

3 影響分析

工作坑開挖后，基坑周邊地表最大沉降約-10.63 mm，發(fā)生在基坑邊4 m，為基坑開挖深度0.6倍，此時高速路堤最大沉降幾乎為0.5 mm（如圖4 所示）。圖5 為工作坑周邊側(cè)向變形云圖，圍護最大變形19.8 mm 發(fā)生在深度約5.1 m，高速路向基坑方向發(fā)生側(cè)移0.5 mm。工作坑距離高速路堤堤腳約21 m（3.2 倍開挖深度），此時接收坑開挖對高速公路造成的影響非常微弱。

圖4 工作坑開挖后土體沉降云圖（單位：mm）

圖5 工作坑開挖后土體側(cè)移云圖（單位：mm）

接收坑開挖后，基坑周邊地表最大沉降約-20.5 mm，發(fā)生在基坑邊5 m，為基坑開挖深度0.62倍，高速路堤最大沉降-2 mm，發(fā)生在近接收坑的路肩（如圖6 所示）。圖7 為周邊側(cè)向變形云圖，圍護最大變形34.4 mm，發(fā)生在深度約7 m，高速路向接收坑方向發(fā)生最大側(cè)移4.5 mm，位于坡腳。接收坑距離高速路堤堤腳約21 m（2.6 倍開挖深度），此時工作坑開挖對高速公路造成了5 mm 以內(nèi)的影響。

圖6 接收坑開挖后土體沉降云圖（mm）

圖7 接收坑開挖后土體側(cè)移云圖（mm）

把工作坑和接收坑的圍護變形數(shù)據(jù)與實際觀測數(shù)據(jù)進行對比可見（如圖8 所示），圍護變形規(guī)律較為相似，最大變形數(shù)據(jù)差值約13%，表明數(shù)值模型具有一定的可信度。

圖8 基坑圍護變形計算值與實測數(shù)據(jù)對比

4 整體分析

基坑圍護變形較大值發(fā)生在坑底附近，其變形規(guī)律與類似經(jīng)驗較一致。通過數(shù)值模型與實測數(shù)據(jù)的對比，規(guī)律相似度較高，模型具有一定的參考價值。

當接收坑開挖后，路堤側(cè)向變形最大值均發(fā)生在臨近基坑側(cè)的坡腳處，沉降最大值發(fā)生在硬路肩位置。

基坑開挖卸載與高速公路超載共同作用時，其變形形態(tài)主要受控于開挖工況。工作坑距離路堤坡腳大于3 倍開挖深度，路堤的變形非常微弱，可忽略。接收坑距離路堤坡腳2.6 倍開挖深度，路堤有了明顯的變形。因此，基坑與路堤坡腳的間距是影響路堤變形的關(guān)鍵因素。建設(shè)條件允許時，基坑距離高速坡腳的距離宜控制在3 倍開挖深度以上。

5 結(jié) 論

借助上海某頂管工程下穿高速公路項目，通過建立有限元模型分析基坑開挖對高速路堤的影響，主要結(jié)論如下：

（1）數(shù)值模型與實測數(shù)據(jù)對比，變形規(guī)律基本相似，最大數(shù)值偏差在13%以內(nèi)，模型具有一定的參考價值。

（2）工作坑距離路堤坡腳大于3 倍開挖深度，基坑與路堤荷載相互作用下，路堤的變形非常微弱，可忽略。接收坑距離路堤坡腳2.6 倍開挖深度，基坑與路堤荷載相互作用下，路堤有了明顯的變形。

（3）路堤側(cè)向變形最大值均發(fā)生在臨近基坑側(cè)的坡腳處，沉降最大值發(fā)生在硬路肩位置。建設(shè)條件允許時，基坑距離高速坡腳的距離宜控制在3 倍開挖深度以上，當基坑距離路堤小于3 倍開挖深度時，建議硬路肩做適當坡面防護等加強措施。