复杂地层深基坑施工对邻近综合管廊影响的控制措施与评价_熊永华.pdf

随着城市地下空间的大量开发与利用，邻近既有综合管廊的基坑工程日益增多，使管廊结构的安全性、防水性和管廊内部管线的安全运营受到了极大挑战。因此，在邻近综合管廊的基坑施工中，如何收稿日期：2023-02-07作者简介：熊永华，男，高级工程师，硕士，主要从事地下空间结构和岩土的设计研究工作。引文格式：熊永华.复杂地层深基坑施工对邻近综合管廊影响的控制措施与评价 J.市政技术，2023，41（5）：156-163.（XIONG Y H.Controlmeasuresandevaluationofinfluenceofdeepfoundationpitconstructionincomplexstrataonadjacentutilitytunnel J.Journal ofmunici-pal technology，2023，41（5）：156-163.）文章编号：1009-7767（2023）05-0156-08第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.156Journal of Municipal Technology复杂地层深基坑施工对邻近综合管廊影响的控制措施与评价熊永华（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉 430023）摘要：针对深厚淤泥质软土区、高承压水等不利条件下的深基坑开挖对邻近综合管廊安全影响问题，以邻近武九线综合管廊的深基坑施工为背景，采用 MIDAS/GTS NX 软件构建了三维数值分析模型，基于修正的摩尔-库伦本构模型，模拟了基坑开挖过程对综合管廊的影响。研究结果表明：基坑开挖引起的围护结构变形和管廊结构变形均在规范限值以内；此外，与基坑开挖前相比，管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值均有所上升，但变化较小，满足结构安全使用要求。因此，认为采用“围护桩+内支撑+TRD 水泥土连续墙止水帷幕”基坑支护设计方案可行。该研究成果可为类似工程安全评估提供借鉴。关键词：基坑施工；综合管廊；安全评估；数值模拟中图分类号：TU 473.2文献标志码：AControl Measures and Evaluation of Influence of Deep Foundation PitConstruction in Complex Strata on Adjacent Utility TunnelXiong Yonghua（Wuhan Municipal Engineering Design&Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430023，China）Abstract：The deep foundation pit excavation under adverse conditions such as deep muddy soft soil area and highpressure water affects the structural safety of the adjacent utility tunnel.A deep foundation pit construction near theutility tunnel of the Wuhan-Jiujiang Railway was taken as an example.Then，a 3D numerical analysis model wasbuilt by MIDAS/GTS NX software.Based on the modified Mohr-Coulomb constitutive model，the impact of the foun鄄dation pit excavation process on the utility tunnel was simulated.The research results show that both the deformationof the support structure and the utility tunnel structure caused by the excavation of the foundation pit are within thespecification limits；In addition，compared with that before the foundation pit excavation，all the maximum increaserates of axial force，shear force and bending moment of the utility tunnel structure increase.The stress changes of theutility tunnel structure are smaller and meet the safe requirements；That the foundation pit support design scheme of“retaining pile+internal support+TRD cement-soil continuous wall waterproof curtain”is feasible.The researchresults can provide reference for security assessment of similar projects.Keywords：foundation pit construction；utility tunnel；security assessment；numerical simulation第5期较为全面地评价基坑施工对管廊结构安全性的影响，并采取有效的保护措施具有重要意义。工程实践表明，基坑施工时邻近综合管廊发生的变形不仅与综合管廊自身抵抗变形的能力、肥槽回填参数特性有关，还与基坑开挖深度或坑体的开挖卸载量有关1。目前，许多学者从不同角度出发，对基坑开挖对邻近综合管廊的影响进行了大量的研究，并取得了有益的成果，如：林鼎宗等2基于HS-small小应变土体本构模型，研究了基坑开挖过程对综合管廊的影响，认为综合管廊沿轴线方向的变形受力模式可分为平移转动区、相对扭转区和位移约束区3个特征区域；邱婧等3从地铁隧道施工过程、结构力学特性和施工的安全性、经济性等角度出发，针对各种施工工法的特性提出地铁隧道与综合管廊协同建设的施工方法。笔者则对地质条件较差、淤泥质软土较为深厚，且承压水头较高，加之基坑距离既有综合管廊最小水平净距为8.318.68 m，基坑施工对既有综合管廊的影响与安全危害极大的特点，采用MIDAS/GTSNX软件构建了三维数值分析模型，并利用修正的摩尔-库伦本构模型，系统分析了某基坑施工对自身围护结构变形、管廊结构位移和受力的影响，并根据研究结果提出了基坑施工安全的针对性控制措施。1工程概况1.1现状综合管廊状况湖北省武汉市江南中心绿道武九线综合管廊工程包括主线管廊和支线管廊两部分。其中：主线管廊起于友谊大道，止于建设十路，长约13.24 km；支线管廊沿德平路布置，起于武九铁路，止于团结大道，长约3 km。该项目基坑对应武九线综合管廊里程范围为BK3+300.0BK3+450.0，该里程范围综合管廊平面基本为直线形，管廊结构为3舱管廊（见图1）。综合管廊上覆土层厚度为2.74.4 m，底板底埋深为7.99.6 m。目前武九线综合管廊已建成投入使用。图1武九线3舱综合管廊结构标准断面图Fig.1 Standard section of the structure of the utility tunnel in Cabin 3 of the Wuhan-Jiujiang Railway1.2基坑支护设计拟建基坑工程属于武昌滨江核心区E1房建地块开发项目，位于武汉市武昌区沿江大道以东、秦园路以北、长江二桥以南地块范围内。场地基本为拆迁后平整场地，勘探孔孔口高程在24.0226.82 m之间变化。场地地貌单元属长江冲积一级阶地。场地沿线分布有现状道路、街道、管线和综合管廊等，周边环境较复杂。基坑与武九线综合管廊的平面位置关系和剖面位置关系分别见图2、3。拟建基坑平面呈矩形，周长约514 m，垂直开挖熊永华：复杂地层深基坑施工对邻近综合管廊影响的控制措施与评价157Journal of Municipal Technology第41卷图3基坑与武九线综合管廊剖面位置关系Fig.3 The section positions between the foundation pit and the utility tunnel of Wuhan-Jiujiang Railway图2基坑与武九线综合管廊的位置关系（m）Fig.2 Location relationship between the foundation pit and the utility tunnel of Wuhan-Jiujiang Railway158第5期面积约15 200 m2，基坑开挖深度为13.414.4 m，管廊结构外边线距离基坑围护桩外边线最小水平净距为8.318.68 m。综合采用覫1 4001 700 mm钻孔灌注桩内支撑支护，桩长24.525.5 m，混凝土强度等级为C40，内支撑采用2道钢筋混凝土桁架支撑，主支撑尺寸为800 mm1 000 mm。桩外打设单排700 mm厚TRD水泥土连续墙进入a-1强风化砂砾岩层1 m止水帷幕，止水帷幕深约50.1 m。各区段基坑支护参数见表1。1.3工程地质与水文地质条件场地地层自上而下划分为5个单元层，即：第1单元层为填土层（Qml），第2单元层为第四系全新统长江冲积（Q4al）黏性土层，第3单元层为全新统冲积（Q4al）粉砂夹粉质黏土、粉土过渡层，第4单元层为第四系全新统长江冲积（Q4al）砂性土层，第5单元层为白垩-下第三系（K-E）砂砾岩和泥质粉砂岩层。场地地貌单元属长江冲积一级阶地。场地地下水分为潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水3种类型。其中：潜水静止水位在地面下0.91.8 m，水位与水量受季节性大气降水的影响而波动；孔隙承压水水量丰富，水位年变化幅度在3.012.0 m；基岩裂隙水水量贫乏，勘察期间未测得其水位，对拟建工程影响有限。2修正的摩尔-库伦模型对于岩土材料而言，传统的摩尔-库伦模型在基坑开挖卸荷过程中采用的土体回弹模量和压缩模量均基于弹性模量假定，未反映出岩土体开挖卸荷对模量的影响，因此常常导致模型的计算结果与实测数据相差较大。修正的摩尔-库伦模型是传统摩尔-库伦模型的延续和发展，其剪切屈服面与摩尔-库伦模型屈服面相同，但压缩面采用了椭圆形的帽子本构，在剪切方向和压缩方向采用了双硬化模型，可用于模拟具有幂率关系的非线性弹性模型和弹塑性模型的组合模型4，故更适用于基坑开挖数值模拟研究，因而在实际工程中获得了广泛的应用。修正摩尔-库伦模型三轴试验应力-应变双曲线关系见图4。笔者采用MIDAS/GTS NX提供的修正的摩尔-库伦模型进行数值分析。该模型共有11个参数（见表2），其中，刚度参数E50ref、Eoedref和Eurref对计算结果影响较大，其数值可通过室内试验确定。在缺少试验数据的情况下，对于三轴压缩试验的E50ref，其值一般取变形模量E0；Eoedref、Eurref可以通过其区段开挖深度/m桩长/m桩径/mm桩间距/mm混凝土强度等级位移/mmH1AAAIA1A2A2A3A3BBCCDDEFFFIGGHHHI13.8814.3813.4813.4813.4812.9812.4811.4813.2811.4812.9825.525.525.024.525.024.524.624.025.524.524.51 4001 4001 4001 4001 4001 2001 2001 2001 3001 2001 3001 7001 7001 7001 7001 7001 4001 5001 5001 6001 5001 500C40C40C40C40C40C30C30C30C30C30C3021.524.123.424.523.428.327.624.524.127.124.4表1各区段基坑支护参数表Tab.1 Support parameters table of foundation pit in eachsection注：qa表示抗剪强度；qf表示破坏强度；E1表示初始刚度；E50表示三轴试验刚度；Eur表示弹性模量。图4修正的摩尔-库伦模型三轴试验应力-应变双曲线关系图Fig.4 Hyperbola diagram of stress-strain relation by triaxial testof modified Mohr-Coulomb model参数取值方法黏聚力c内摩擦角剪胀角孔隙率n标准三轴试验中的割线模量E50ref主固结仪加载中的切线模量Eoedref三轴试验卸载/重新加载模量Eurref应力水平相关幂指数m正常固结下的侧压力系数K0破坏比Rf参考应力ref三轴压缩试验三轴压缩试验0（30）或者-30（30）室内试验三轴压缩试验一维压缩试验三轴压缩试验0.51.0，黏土0.70.91-sin一般取0.9一般取100 kPa表2修正的摩尔-库伦模型参数表5Tab.2 Modified Mohr-Coulomb model parameters熊永华：复杂地层深基坑施工对邻近综合管廊影响的控制措施与评价159Journal of Municipal Technology第41卷与E50ref的比例关系由E50ref获得，即Eoedref=（0.51.3）E50ref，Eurref=（35）E50ref。3三维有限元模型构建与分析工况3.1模型的构建与计算参数模型包含了武九线综合管廊和拟开挖基坑，模型计算范围长约300 m、宽约280 m、土层计算深度为80 m。模型中包含了管廊结构、基坑围护结构、内支撑结构和止水帷幕。冠梁、腰梁、内支撑、立柱桩和抗拔桩均采用梁单元进行模拟；管廊结构和TRD止水帷幕采用板单元模拟；覫1 4001 700 mm钻孔灌注桩以等刚度替换为原则将其等效为连续板结构，每延米板厚等效为1.41.4/（41.7）=0.905 m。结构单元均为弹性本构模型；地层材料为均质、连续、各向同性的理想弹塑性材料，采用修正的摩尔-库伦本构模型。岩土体均采用实体单元进行模拟。模型中，共划分四面体和六面体单元377 692个，节点69 916个。有限元数值分析模型见图5，基坑与综合管廊相对位置见图6，岩土层主要物理力学参数建议值见表3，结构物理力学参数见表4。在计算中，仅考虑边坡自重作用，暂不考虑构造应力。基坑表面自由，其余各边界面除底部为固定约束外，其他各面均为法向约束。路面荷载按20 kPa考虑。此外，鉴于该工程潜水水量较小，基岩裂隙水水量贫乏，对拟建工程影响有限，而孔隙承压水主要赋存于底部第4单元层中，水量丰富，故模型中考虑了承压水的影响再进行分析。b）开挖后图5有限元数值分析模型Fig.5 Finite element numerical analysis modela）开挖前图6基坑与综合管廊相对位置Fig.6 Relative position of the foundation pit and the utility tunnel地层名称容重/（kN/m3）c/kPaEoedref/MPaE50ref/MPaEurref/MPa杂填土1粉质黏土夹粉土2淤泥质粉质黏土粉质黏土、粉土、粉砂互层1粉细砂2细中砂a-1强风化砂砾岩18.518.317.717.819.219.222.56.016.012.010.01.01.020.019.011.05.016.032.036.030.05.04.43.66.517.025.0450.05.04.43.66.517.025.0450.015.017.614.539.068.0100.01 800.0表3岩土层主要物理力学参数建议值Tab.3 Recommended values of main physical andmechanical parameters of rock and soil stratum结构类型截面尺寸/mm容重/（kN/m3）E/GPa泊松比TRD止水帷幕排桩管廊板冠梁腰梁内支撑立柱桩抗拔桩板板板梁梁梁梁梁7001 150500/550/700/3001 5001 0001 3001 0008001 000直径900直径80020252525252525250.0532.531.530.030.030.030.030.00.30.20.20.20.20.20.20.2表4结构物理力学参数Tab.4 Structural physical and mechanical parameters160第5期3.2计算分析工况此次模拟主要分析拟建基坑施工对管廊结构的影响以及基坑围护结构的变形特征，考虑的是基坑开挖引起的增量位移，故对既有建（构）筑物施工引起的位移和初始应力场引起的位移进行清零。根据周边环境和基坑施工步序，共划分13个施工工序（见表5）。4计算结果与分析4.1基坑围护结构变形分析计算结果表明，随着基坑的下挖，基坑围护结构变形逐渐变大。开挖至基坑底工况下的围护结构变形见图7。由图7可知，开挖至基坑底部时，邻近综合管廊侧基坑围护结构最大水平位移、竖向位移值分别为29.28、-11.65 mm，该值小于DB 42/T 1592012基坑工程技术规程规定的一级基坑支护工程水平位移控制值（40 mm）和竖向位移控制值（30 mm），因此满足规范要求。4.2基坑施工对管廊结构影响分析4.2.1管廊结构变形分析基坑不同施工工况下的管廊结构变形见图8，开挖至基坑底工况下的管廊结构变形见图9。由图8、9可知，随着基坑的逐步开挖和支撑结构的实施，土体变形方向均指向基坑内侧，管廊结构靠近基坑侧的土体水平位移和竖向位移值均逐渐增大。具体而言，管廊结构变形特征如下：工况数值模拟描述初始流场初始应力管廊施作位移清零桩柱施作降水降水变形1基坑开挖至第1道内支撑底0.5m第1道内支撑施工基坑开挖至-5.40m基坑开挖至-9.20m第2道内支撑施工基坑开挖至-14.40 m，结构底板施工激活所有地层与初始水头考虑未开挖状态的岩土层应力状态激活管廊结构单元，钝化内部土体施作基坑桩柱，附加荷载基坑降水激活坑底加固单元激活围护桩板单元激活内支撑单元钝化土体单元，模拟开挖过程钝化内部土体，模拟开挖过程激活内支撑单元钝化内部土体，模拟开挖过程，并施工结构底板，形成换撑工况表5基坑施工工况Tab.5 Construction conditions of the foundation pita）水平位移b）竖向位移图7开挖至基坑底工况下的围护结构变形Fig.7 Deformation of the support structure under the condition ofexcavation to the bottom of the foundation pitb）管廊结构竖向位移图8基坑不同施工工况下的管廊结构变形Fig.8 Deformation characteristics of the utility tunnel structureunder different construction procedures of foundation pita）管廊结构水平位移熊永华：复杂地层深基坑施工对邻近综合管廊影响的控制措施与评价161Journal of Municipal Technology第41卷1）当基坑降水实施（工况7）后，管廊结构最大水平位移、竖向位移值分别为1.60、-4.00 mm，降水引起的变形以竖向位移为主。2）当基坑开挖至第1道内支撑底0.5 m（工况8）和第1道内支撑施工（工况9）时，管廊结构最大水平位移、竖向位移值分别为2.44、-4.55 mm。3）当基坑继续开挖至-5.40 m（工况10）时，管廊结构最大水平位移、竖向位移值分别增至5.64、-5.00 mm，其主要是由于基坑开挖对开挖面以下和邻近土体具有显著的卸荷作用，引起坑底土体的回弹和邻近土体的变形，进而影响了管廊结构周边土体的应力状态，导致其变形进一步增大。4）当基坑继续开挖至-9.20 m（工况11）和第2道内支撑施工（工况12）时，管廊结构最大水平位移、竖向位移值进一步增至7.30、-6.40 mm，基坑开挖引起的卸荷与应力重分布导致管廊结构变形持续增大。5）当基坑继续开挖至-14.40 m（工况13）和结构底部回填施工时，管廊结构最大水平位移、竖向位移值分别增至9.27、-8.99 mm。可见，基坑开挖导致卸荷的变形进一步增加，基坑施工完毕后，管廊结构变形趋于稳定。综上所述，该项目基坑开挖引起的管廊结构最大水平位移值为9.27mm，最大竖向位移值为-8.99 mm，小于GB 513542019城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准规定的15 mm标准，基坑支护方案与分析结果满足规范要求。4.2.2管廊结构受力分析开挖至基坑底工况下的管廊结构轴力、剪力和弯矩见图10。基坑开挖时会对土体造成扰动，使得应力重新分布，导致管廊结构内力发生改变。因此，通过对不b）竖向位移图9开挖至基坑底工况下的管廊结构变形Fig.9 Deformation characteristics of the utility tunnel structureunder the condition of excavation to the bottom of foundation pita）水平位移b）剪力图c）弯矩图图10开挖至基坑底工况下的管廊结构受力Fig.10 Stress characteristics of the utility tunnel structure underthe condition of excavation to the bottom of foundation pita）轴力图162第5期同工况下基坑开挖引起的管廊结构受力特征进行分析可知，随着基坑的逐步开挖和支撑结构的实施，管廊结构受力逐步增大。基坑施工前，管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值分别为571.8、143.0 kN/m和260.5 kNm/m；基坑施工完成后，管廊结构轴力、剪力 和弯矩最大 值分别 为572.3、143.2 kN/m和273.2 kNm/m。基坑施工后管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值增加比率分别为0.09%、0.14%、4.88%，说明管廊结构受力变化较小，配筋合理，满足管廊结构安全使用要求。5结语该工程周边环境较复杂，淤泥质软土深厚，地下水丰富，场地地貌单元属长江冲积一级阶地，地质条件较差，综合采用围护桩内支撑TRD水泥土连续墙止水帷幕形式，有效控制了基坑开挖对综合管廊的影响。有限元计算结果表明：邻近综合管廊侧基坑围护结构最大水平位移、竖向位移值分别为29.28、-11.65 mm；基坑开挖引起的管廊结构最大水平位移、竖向位移值分别为9.27、-8.99 mm；基坑施工完成后，管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值分别为572.3、143.2kN/m和273.2kNm/m，相比基坑施工前，管廊结构轴力、剪力和弯矩最大值增加比率分别为0.09%、0.14%、4.88%，管廊结构受力变化较小，计算结果均在安全控制标准范围以内。可见，该项目基坑施工对综合管廊的安全影响可控，在正常施工条件下，现有基坑支护设计方案可行。鉴于该项目场地存在深厚的承压含水层且渗透系数大，基坑采用TRD水泥土连续墙止水帷幕方式，因此建议基坑开挖前进行坑内外联通抽水试验，确保止水帷幕成墙后方可进行基坑开挖，必要时对TRD工法墙进行注浆加固补强；基坑施工期间，应加强对基坑自身以及管廊结构实时监测，采用信息化施工，以确保综合管廊的稳定与运营安全。参考文献1周丁恒，周春锋，李凤岭，等.软土地区临近地铁深基坑施工控制及监测J.铁道建筑技术，2019（4）：103-108.（ZHOU DH，ZHOU C F，LI F L，et al.Controlling and monitoring on con-structing soft-soil deep foundation pit adjacent to metro lineJ.Railway construction technology，2019（4）：103-108.）2林鼎宗，蔡奇鹏，黄翀，等.基坑开挖对邻近双舱综合管廊影响的三维数值分析J/OL.2023-01-30.https：/ D Z，CAIQ P，HUANG C，et al.Three-dimensional numerical analysis ofthe effect of excavation on adjacent double-compartment utilitytunnelJ/OL.2023-01-30.https：/ J，LYU L，KANG X L，et al.A brief analysis of the coordinated constructionscheme of urban comprehensive pipe gallery and metro areaJ.Journal of municipal 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