王瀟宇

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度和城市建設(shè)步伐的加快，城市對(duì)市政管線的需求也在不斷加大。近年來，國(guó)家陸續(xù)頒布相關(guān)政策，大力促進(jìn)綜合管廊工程建設(shè)。

城市綜合管廊工程為一種淺埋型隧道工程，它將電力、通信、供水、燃?xì)獾榷喾N市政管線集中敷設(shè)并統(tǒng)一管理，其基坑多為寬度窄、開挖較深、縱向極長(zhǎng)的狹長(zhǎng)型基坑[1]，具有單次開挖面積小、施工周期短等特點(diǎn)，“空間效應(yīng)”顯著。一般認(rèn)為，狹長(zhǎng)型基坑穩(wěn)定性[2-3]更好，但受基坑寬度影響明顯。

基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算一般包括3個(gè)方面內(nèi)容：穩(wěn)定性驗(yàn)算、支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和基坑變形計(jì)算[4]。現(xiàn)有規(guī)范推薦計(jì)算方法是基于半無限空間、經(jīng)典土力學(xué)理論，未考慮狹長(zhǎng)型基坑空間效應(yīng)對(duì)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體強(qiáng)度的影響，造成設(shè)計(jì)時(shí)插入深度過大，引起較大浪費(fèi)。

1 工程概況

擬建綜合管廊工程位于華東某市，為單倉(cāng)支線型綜合管廊，納入電力、電信、給水管線。綜合管廊總長(zhǎng)度約1 130 m，標(biāo)準(zhǔn)段高3.9 m、寬3.6 m、壁厚0.35 m、頂板覆土厚度2.95 m。

本工程綜合管廊位于現(xiàn)狀道路西側(cè)綠地中，管廊外壁距現(xiàn)狀道路路邊約5.0 m（圖1）。道路及人行橫道下方設(shè)有雨水、污水、配水、信息等多條市政管線。

受周邊現(xiàn)有管線、施工工期等影響，擬采用厚450 mm預(yù)制地下連續(xù)墻“兩墻合一”板式支護(hù)，即圍護(hù)墻兼作綜合管廊側(cè)墻，設(shè)計(jì)須同時(shí)考慮開挖工況和使用工況。

圖1 綜合管廊與道路位置關(guān)系（單位：m）

按地方規(guī)范，本工程基坑開挖深度6.6 m、基坑寬度2.9 m、基坑寬深比僅為0.44，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。計(jì)算得：圍護(hù)墻須坑底以下插入長(zhǎng)度10.70 m、圍護(hù)墻插入比為1.62、插入長(zhǎng)度與基坑寬度的比為3.69；坑內(nèi)設(shè)1道H型鋼水平內(nèi)支撐，每幅墻設(shè)2根；頂部利用導(dǎo)墻兼作擋土墻，并在預(yù)制連續(xù)墻頂部預(yù)埋鋼板，其上焊扶壁工字鋼，形成板肋結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 綜合管廊基坑橫剖面示意

圍護(hù)墻位移、彎矩、剪力包絡(luò)圖及各項(xiàng)安全系數(shù)均采用啟明星FRWS軟件（版本號(hào)7.2）計(jì)算（圖3）。

圖3 圍護(hù)墻位移、彎矩、剪力包絡(luò)圖

通過圖2可直觀地發(fā)現(xiàn)，在滿足現(xiàn)行基坑規(guī)范要求的情況下，圍護(hù)墻坑底以下插入長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于基坑寬度。綜合管廊基坑兩側(cè)的圍護(hù)墻將管廊下側(cè)的土體固定在有限的空間內(nèi)，一側(cè)圍護(hù)墻位于另一側(cè)被動(dòng)區(qū)土壓力滑動(dòng)面（破壞面）內(nèi)，起到抗滑移的作用；坑內(nèi)土體處于有側(cè)限狀態(tài)，改變被動(dòng)區(qū)土體的應(yīng)力狀態(tài)。

現(xiàn)行基坑規(guī)范中，土壓力計(jì)算均是基于郎金土壓力理論，將計(jì)算剖面模型假定為半無限空間模型，視坑內(nèi)無限大的區(qū)域均開挖至坑底，更適用于常規(guī)民用建筑基坑（基坑寬度遠(yuǎn)大于基坑深度）。

針對(duì)本工程，坑底抗隆起（圓弧滑動(dòng)）安全系數(shù)為控制性指標(biāo)，計(jì)算中未考慮對(duì)側(cè)土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)坑底抗隆起（圓弧滑動(dòng)）假定滑動(dòng)面的影響。然而，本工程圍護(hù)墻坑底以下插入長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于基坑寬度，實(shí)際開挖暴露的坑底非常有限，空間效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果有著不容忽視的影響。然而，根據(jù)規(guī)范計(jì)算的結(jié)果無法反映狹長(zhǎng)型基坑的實(shí)際破壞情況，計(jì)算結(jié)果過于保守。若按此設(shè)計(jì)、施工，將造成極大的浪費(fèi)。

2 有限元分析

針對(duì)這種情況，通過巖土工程有限元軟件建立數(shù)值模型，對(duì)實(shí)際工況模擬、分析，為施工現(xiàn)場(chǎng)開展試驗(yàn)性研究做準(zhǔn)備。

2.1 模型參數(shù)

本次計(jì)算采用硬化模型本構(gòu)關(guān)系，即Harding-soil模型。

Harding-soil模型（簡(jiǎn)稱HS模型）為等向硬化彈塑性模型，模型參數(shù)直觀明了，具有明確的物理意義，可通過普通三軸剪切和側(cè)限儀固結(jié)試驗(yàn)獲得，便于工程應(yīng)用。并且，HS模型在處理回彈（卸載）問題時(shí)引入了Eur模量，在模擬、分析開挖問題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本次計(jì)算中，土體采用硬化模型本構(gòu)關(guān)系，鋼支撐采用線彈性本構(gòu)模型，變形計(jì)算考慮流固耦合。

另外，采用摩爾-庫(kù)倫模型和強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

本工程模型長(zhǎng)78 m、深30 m，對(duì)于管廊基坑開挖，可認(rèn)為消除了邊界效應(yīng)的影響。工況按如下考慮：初始模型、插入地下連續(xù)墻、降水至坑底、加坑外超載、挖土至第1道支撐底、施加第1道支撐、挖土至坑底（圖4）。

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過有限元模型計(jì)算，當(dāng)插入比大于等于0.5時(shí)，圍護(hù)墻水平位移、周邊最大沉降量幾乎沒變化（圖5、圖6）。

圖4 挖土至坑底工況有限元模型

圖5 圍護(hù)墻水平位移與插入比關(guān)系

圖6 周邊最大沉降量與插入比關(guān)系

本工程基坑為狹長(zhǎng)型基坑，當(dāng)插入比大于0.5時(shí)，插入深度與基坑寬度的比大于1，基坑一側(cè)圍護(hù)墻已位于基坑另一側(cè)圍護(hù)墻被動(dòng)區(qū)土體朗金理論的被動(dòng)區(qū)破壞面中，起到抗滑作用。繼續(xù)增加圍護(hù)墻的插入深度，已無法提供更大的被動(dòng)區(qū)抗力，對(duì)圍護(hù)墻及周邊環(huán)境變形影響甚微。

圍護(hù)墻最大彎矩與插入比的關(guān)系與圍護(hù)墻水平位移、周邊最大沉降量與插入比的關(guān)系類似（圖7），當(dāng)插入比大于等于0.5時(shí)，插入比變化對(duì)圍護(hù)墻最大彎矩影響不大；但是，當(dāng)插入比等于0.8時(shí)，圍護(hù)墻最大彎矩達(dá)到峰值，繼續(xù)增加插入比，圍護(hù)墻最大彎矩反而減小[5-7]。

圖7 圍護(hù)墻最大彎矩與插入比關(guān)系

利用強(qiáng)度折減法分析插入比對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，基坑安全系數(shù)與插入比近似呈線性關(guān)系（圖8），隨著插入比的增大，基坑安全系數(shù)增高。

根據(jù)該地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，一般插入比不小于0.8。結(jié)合本工程狹長(zhǎng)型基坑，將插入比定為0.8，開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)性應(yīng)用。

圖8 強(qiáng)度折減法安全系數(shù)與插入比關(guān)系

3 結(jié)論

本工程管廊基坑為狹長(zhǎng)型溝槽，按現(xiàn)有基坑規(guī)范計(jì)算，本工程基坑圍護(hù)墻插入比為1.39，插入長(zhǎng)度與基坑寬度的比為3.17。若按此計(jì)算結(jié)果應(yīng)用、實(shí)施，將引起較大浪費(fèi)。

現(xiàn)行規(guī)范中，土壓力計(jì)算均采用基于半無限空間假定的郎金土壓力理論，將計(jì)算剖面視坑內(nèi)無限大的區(qū)域均開挖至坑底，更適用于常規(guī)民用建筑基坑。

因此，有必要根據(jù)本工程實(shí)際情況，結(jié)合有限元軟件建立數(shù)值模型，進(jìn)行模擬、分析，發(fā)現(xiàn)：

1）當(dāng)插入比≥0.5時(shí)，圍護(hù)墻水平位移、周邊最大沉降量隨插入比增加小幅變化。基坑一側(cè)圍護(hù)墻已位于基坑另一側(cè)圍護(hù)墻被動(dòng)區(qū)土體朗金理論的被動(dòng)區(qū)破壞面中，起到抗滑作用。

2）當(dāng)插入比≥0.5時(shí)，插入比的變化對(duì)圍護(hù)墻最大彎矩影響不大；但是，當(dāng)插入比等于0.8時(shí)，圍護(hù)墻的最大彎矩達(dá)到了峰值，繼續(xù)增加插入比，圍護(hù)墻最大彎矩反而減小。

3）利用強(qiáng)度折減法分析插入比對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響，基坑安全系數(shù)與插入比近線性關(guān)系，隨著插入比的增大，基坑安全系數(shù)增高。