城市地下综合管廊基坑开挖支护关键技术研究.pdf

江西建材岩土工程与勘察1432023年7 月城市地下综合管廊基坑开挖支护关键技术研究潘 涛浙江安防职业技术学院，浙江 温州 325016摘 要：文中针对现有基坑开挖支护设计方法，结合工程案例进行分析，指出现有设计软件存在的缺陷，并采用有限元分析方法进行补充分析。结果表明：（1）绕支撑的踢脚破坏稳定性在城市地下综合管廊基坑支护设计中起控制作用；（2）考虑坑底地基土体加固处理后，支护内力、变形以及坑内外土体变形均大幅减小。关键词：城市地下综合管廊；基坑开挖支护设计；有限元分析中图分类号：TU74 文献标识码：B文章编号：1006-2890（2023）07-0143-04Research on Key Technologies for Excavation and Support of Urban Underground Comprehensive Pipe Gallery Foundation PitPan TaoZhejiang College of Security Technology,Wenzhou,Zhejiang 325016Abstract:Based on the existing design methods for excavation and support of foundation pits,combined with engineering cases,the shortcomings of existing design software were analyzed,and finite element analysis method was used to supplement them.The analysis results indicate that:1.The stability of the skirting around the support plays a controlling role in the design of urban underground comprehensive pipe gallery foundation pit support;2.After considering the reinforcement treatment of the foundation soil at the bottom of the pit,the internal force and deformation of the support,as well as the deformation of the soil inside and outside the pit,are significantly reduced.Key words:Urban underground comprehensive pipe galleryt;Design of foundation pit excavation support;Finite element analysis 0 引言城市地下综合管廊，又称“共同沟”“共同管道”，是指沿着城市道路建造于地下的连续狭长形封闭构筑物，用于容纳两类及以上城市工程管线（包括电力、通信、燃气、给水、热力、排水等）及其附属设施，从而保障城市正常运行，同时美化城市整体面貌的一种现代化、集约化新型市政基础设施1。高文华等2根据 Mindlin厚板理论，建立三维有限元分析模型，探讨了开挖宽度、约束条件等多种因素对软土深基坑支护结构内力和变形时空效应的影响。钱七虎等3结合国内外城市综合管廊研究案例，分析了综合管廊目前存在的问题，并提出一系列解决对策。胡静文4介绍了国内外城市综合管廊的基本情况，结合相关规范、法规，对国内综合管廊设计要点进行了深入分析。林财5针对综合管廊结构本身的特点和其他外部因素，对管廊所处地基采用不同的处理方式，进一步优化原有施工工艺。张江涛等6采用 PLAXIS 2D软件，对软土地区综合管廊基坑开挖过程中钢板桩支护体系的受力性能和变形进行分析，为支护设计提供了参考。俞建霖等7根据综合管廊独特的狭长形基坑，对比常用计算坑底抗隆起稳定性方法，结合实际工程案例，深入分析不同工况下坑底抗隆起的稳定性，指出其中不足，并提出针对狭长形基坑工程坑底抗隆起稳定性的分析方法。胡红亮8根据平潭某工程实例，采用 PLAXIS 3D软件，探讨了钢管撑替换混凝土内支撑的可行性。周恒等9运用大型有限元软件，对水泥搅拌桩进行参数优化，达到确保经济效益的目的。刘志军等10结合现浇明挖法施工工艺特点，对钢板桩支护设计方案的不足进行讨论，并提出设计优化方案。城市地下综合管廊基坑开挖较建筑基坑开挖在形状上有较大区别，主要为狭长形，其支护结构的受力性能与矩形存在一定差异，因此，选择科学合理的基坑开挖支护设计方案，保证主体结构安全，对现浇明挖法综合管廊施工至关重要。本文依托温州海涂围垦区某地下综合管廊工程，对现行管廊基坑支护设计计算依据进行总结、分析与讨论，通过常用基坑设计软件与有限元模拟软件，对项目工程典型基坑进行建模，分析对比计算结果，为管廊基坑开挖及支护提供参考。1 常用基坑开挖支护设计方法目前，我国尚无专门针对综合管廊基坑支护的设计规范。管廊基坑支护主要依据建筑基坑支护相关规范和标准进行设计，包括极限平衡法、弹性地基梁法等，且需从强度、刚度、稳定性三个方面对支护结构进行设计和验算。本节对各个设计和验算内容进行简要介绍，并对目前设计方法存在的缺陷进行探讨。1.1 极限平衡法经过长期研究探索，业界总结出了多种基坑开挖支护设计方法，其中，极限平衡法11应用最为广泛。但是，结合众多工程建设实际发现，极限平衡法作为静态分析的一种方法，很难完全准确反映实际工程中土体动态变化带来的不确定影响，得作者简介：潘涛（1995-），男，浙江省永嘉人，硕士，助理工程师，主要研究方向为结构工程。基金项目：浙江安防职业技术学院校级科研项目 综合管廊基坑开挖支护关键技术研究（项目编号：AF2023Y01）。江西建材岩土工程与勘察1442023年7 月到的支护结构受力变形存在与实际不符的情况。1.2 弹性地基梁法对于桩/墙而言，目前广泛采用的设计方法为弹性地基梁法。此方法认为，桩/墙单位长度上任意一点的土体抗力与该点的位移成正比，也称“m法”。该方法基本概念明确，方法较为简单，所得结果比较安全。但有学者研究发现12，土体的弹性模量和桩/墙的弹性模量虽然都会对基坑变形产生影响，但主要影响因素还是土体弹性模量。而应用该方法并不能准确获取土体的弹性模量，且不能明确基坑内外的土体变形，结果存在不确定性。1.3 强度及变形验算根据 JGJ 1202012建筑基坑支护技术规程，支挡式基坑支护一般采用平面杆系弹性支点法进行计算，计算模型如图1 所示。根据弹性支点法，可以获得支护和内撑的内力（弯矩、剪力、轴力）和变形分布，然后根据相关规范进行支护构件设计。图1 平面杆系弹性支点法计算简图JGJ 1202012建筑基坑支护技术规程中并未明确规定支护结构的容许变形，应满足 GB 500072011建筑地基基础设计规范相关要求。此外，支护结构变形应满足 DB33/T 10962014浙江省建筑基坑工程技术规程规定。1.4 稳定性验算支挡式支护结构除需满足强度、变形要求外，还需进行稳定性验算。内撑式支护结构稳定性验算主要包括嵌固稳定性验算、整体滑动稳定性验算、坑底隆起稳定性验算、最下层支点为圆心的圆弧滑动稳定性验算。1.4.1 嵌固稳定性验算一、二、三级基坑，嵌固稳定性系数分别不小于1.25、1.20 和1.15。1.4.2 坑底隆起稳定性验算锚拉式或支撑式支护结构，需按图2 进行坑底隆起稳定性验算，对一、二、三级基坑，坑底隆起稳定性系数分别不小于1.8、1.6 和1.4。图2 坑底隆起稳定性验算图式1.4.3 踢脚稳定性验算锚拉式和支撑式支护结构，当坑底为软土时，需按图3 验算以最下层支点为轴心的圆弧滑动稳定性（踢脚稳定性）。一、二、三级基坑，安全系数分别不小于2.2、1.9 和1.7。图3 踢脚稳定性验算图式1.5 现行规范计算方法的不足与建议如上所述，按 JGJ 1202012建筑基坑支护技术规程采用平面杆系弹性支点法进行计算。但是，该方法也存在一些不足。（1）平面杆系支点法无法考虑综合管廊基坑长条形的空间特性；（2）在嵌固稳定性验算时，基坑外侧土体采用主动土压力，而基坑内侧土体采用被动土压力；（3）现行规范规定，支护桩/墙的变形采用弹性地基梁法进行计算，但并未明确基坑内外土体变形计算方法。因此,在实际工程中，坑外土体的变形更多依赖现场监测结果，如果监测结果超出限值，则会引起纠纷和工程变更。综上所述，建议采用有限元作为平面杆系支点法的补充计算方法，以便更准确地估算基坑开挖引起的坑内外土体变形。2 工程实例2.1 工程概况本文选用工程基本情况如下：基坑深度 h=5.56.0 m，距 离 地 块 较 远（25 m），采 用 拉 森 IVa型 钢 板 桩 加 一道钢板支撑，靠地块侧钢板桩长度为21 m，靠道路侧钢板 桩 长 度 为22.5 m，钢 板 桩 顶 露 出 地 面0.3 m。内 撑 采 用H350 mm350 mm16 mm16 mm型钢，一道内撑，内撑距离桩顶0.6 m，内撑间距为3.5 m。此外，坑底土体在开挖前采用水泥搅拌桩进行加固处理，水泥搅拌桩直径为500 mm，纵横向间距均为650 mm。2.2 地质条件根据该工程地勘报告，地基土包括三个工程地质层，各层工程地质特性如表1 所示。江西建材岩土工程与勘察1452023年7 月表1 地基土技术参数土层编号01231土层名称吹填土含砂淤泥含砂淤泥淤泥淤泥质黏土土层厚度/m1.88.23.614.07.2天然重度/（kN m-3）17.417.518.316.417.0黏聚力 c/kPa876812内摩擦角/13.010.511.510.012.0压缩模量 Es/MPa2.22.33.81.82.62.3 不同支护设计软件分析为了验证常用基坑支护设计软件计算结果的可靠性及可能存在的差别，本节采用了不同计算软件对海涂围垦区典型钢板桩基坑支护进行计算，识别海涂围垦区钢板桩支护设计中起控制作用的参数，并对不同计算软件的计算结果进行对比，对其存在的差别和误差来源进行讨论。表2 分别给出了基坑开挖至6 m，不考虑坑底加固时，采用目前常用的三款软件计算所得的钢板桩两侧的钢板桩水平变形、钢板桩弯矩最大值、剪力最大值，发现其内力变形基本一致。表2 不考虑坑底加固各软件计算结果变形内力软件1软件2软件3位移/mm42.0539.5442.30弯矩/（kN m）323.27332.54322.25剪力/kN128.64130.70128.50此外，按照JGJ 1202012 建筑基坑支护技术规程，对带有一道内撑的钢板桩支护，需分别验算嵌固稳定性、踢脚稳定性系数和坑底抗隆起稳定性。三款软件稳定性验算结果如表3所示。表3 稳定性验算结果对比稳定性系数软件1软件2软件3规范限值嵌固稳定性系数1.2051.2051.211.2圆弧滑动稳定性系数/1.4371.441.9抗隆起稳定系数1.7721.7721.771.6然而，如上所述，规范计算方法未考虑管廊基坑开挖宽度较小的特点。本案例工程中，若开挖宽度按10 m计，则滑动圆弧左端与钢板桩的水平距离为16.76 m，如图4 所示，该尺寸已经远远超过基坑开挖宽度，即图4 虚线矩形范围内实际并未开挖，其土体重量可起抗滑作用，而该部分土体的抗力在规范计算方法中并未考虑。若考虑该部分土体的抗滑作用，则圆弧滑动稳定性系数大幅提高，支护的经济性也大大提高。若基坑开挖宽度小于10 m，上述影响将进一步增大。图4 踢脚破坏示意图若考虑坑底加固，取加固土黏聚力和内摩擦角分别为20 kPa和20，加固宽度与开挖宽度相同，加固深度5 m，重新采用上述设计软件进行分析，得到的计算结果见表4。考虑坑底加固后，软件一计算结果与不考虑坑底加固结果相同，即软件内部实际并未考虑坑底加固的影响。而软件二、三在考虑坑底加固后，钢板桩变形、内力明显减小，且两款软件计算结果较一致。表4 考虑坑底加固各软件计算结果变形内力软件1软件2软件3位移/mm42.0522.9542.30弯矩/（kN m）323.27234.08227.50剪力/kN128.6491.5989.753 有限元分析目前，常用的设计软件无法考虑坑底地基加固对坑底隆起稳定性的有利作用，同时，坑内外土体的变形计算只能通过经验公式进行估算，无法考虑坑底土体加固的影响。即使三款软件给出了相近的支护内力和变形，也是根据假设的土压力分布进行，未考虑土压力与变形之间的关系，不能真实反映工程实际。基于上述问题，本文提出采用有限元软件对管廊基坑支护进行模拟，作为平面杆系支点法的补充。在有限元分析计算中，三维有限元模型建模复杂、计算耗时，而二维平面应变有限元模型则具有建模简单、计算省时的特点，且长条形的管廊基坑可近似看作平面应变问题而不引起较大的误差。因此，本文采用二维平面应变模型作为综合管廊基坑模型。有限元模型中，各层土体均采用修正的摩尔-库伦模型进行模拟，以便更好地模拟开挖过程中的卸荷回弹。此外，有限元模型还可充分考虑基坑开挖宽度和坑底土体加固的影响。图5 为二维有限元模型。图5 有限元模型图6 中为不考虑坑底土体加固时的有限元计算结果，钢板桩最大水平位移为83.3 mm，最大弯矩为431.9 kN m，最大剪力为179.7 kN，内撑轴力为683 kN。可见，不考虑坑底加固时，有限元计算钢板桩内力和变形结果均远大于平面杆系弹性支点法计算结果。造成上述较大差别的原因可能是，未考虑坑底加固时，土体变形较大，导致有限元计算所得土压力与平面杆系计算所采用的土压力具有较大差别。（a）变形图 （b）弯矩图 （c）剪力图图6 不考虑坑底加固江西建材岩土工程与勘察1462023年7 月图7 中为考虑土体加固时的有限元计算结果，钢板桩最大水平位移为21.4 mm，最大弯矩为194.5 kN m，最大的剪力为132 kN，内撑轴力为408.5 kN。考虑坑底土体加固后，有限元计算结果的最大水平位移、钢板桩弯矩剪力与设计软件计算结果相比略小，误差在10%左右，而内撑轴力高于设计软件计算结果33%左右。（a）变形图 （b）弯矩图 （c）剪力图图7 考虑坑底加固图8 给出了不考虑和考虑坑底加固时，坑底及坑后填土竖向位移云图。由图8（a）可见，不考虑坑底加固时，坑底最大隆起量为147.9 mm，坑后最大沉降为53.5 mm；由图8（b）可见，考虑坑底加固时，坑底最大隆起量为28.4 mm，坑后最大沉降为4.9 mm。考虑坑底加固后，坑底隆起只有不考虑坑底加固的20%左右，坑外最大竖向沉降则只有不加固时的10%左右。由此可见，坑底土体加固对基坑支护设计的影响非常大。（a）不考虑坑底加固（b）考虑坑底加固图8 地表沉降及坑底隆起4 结语（1）本文对建筑基坑支护设计方法进行了系统总结，指出了现有设计方法未能考虑管廊基坑长条形的空间特性和坑底地基加固的有利作用。（2）计算分析三款常用支护设计软件表明，绕支撑的踢脚破坏稳定性在海涂围垦区狭长形基坑支护设计中起控制作用。（3）通过有限元分析，在考虑坑底地基土体加固处理后，支护内力、变形以及坑内外土体变形均大幅减小，这可为后续有效减小桩长、提高设计的经济性提供相应的理论依据。参考文献 1 刘志军，朱明星，王胜年，等.软土地区某地下综合管廊工程基坑设计优化分析J.水利与建筑工程学报，2018，16（5）：172-175，180.2 高文华，杨林德，沈蒲生.软土深基坑支护结构内力与变形时空效应的影响因素分析J.土木工程学报，2001（5）：90-96.3 钱七虎，陈晓强.国内外地下综合管线廊道发展的现状、问题及对策J.地下空间与工程学报，2007（2）：191-194.4 胡静文，罗婷.城市综合管廊特点及设计要点解析J.城市道桥与防洪，2012（12）：196-198，18.5 林财.地下综合管廊软弱地基处理技术的优化及应用J.福建建设科技，2016（5）：73-75，86.6 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