王瀟宇

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092

0 引言

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度和城市建設步伐的加快，城市對市政管線的需求也在不斷加大。近年來，國家陸續(xù)頒布相關政策，大力促進綜合管廊工程建設。

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、燃氣等多種市政管線集中敷設并統(tǒng)一管理，其基坑多為寬度窄、開挖較深、縱向極長的狹長型基坑[1]，具有單次開挖面積小、施工周期短等特點，“空間效應”顯著。一般認為，狹長型基坑穩(wěn)定性[2-3]更好，但受基坑寬度影響明顯。

基坑工程設計計算一般包括3個方面內容：穩(wěn)定性驗算、支護結構強度設計和基坑變形計算[4]?，F(xiàn)有規(guī)范推薦計算方法是基于半無限空間、經(jīng)典土力學理論，未考慮狹長型基坑空間效應對坑內被動區(qū)土體強度的影響，造成設計時插入深度過大，引起較大浪費。

1 工程概況

擬建綜合管廊工程位于華東某市，為單倉支線型綜合管廊，納入電力、電信、給水管線。綜合管廊總長度約1 130 m，標準段高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預制地下連續(xù)墻“兩墻合一”板式支護，即圍護墻兼作綜合管廊側墻，設計須同時考慮開挖工況和使用工況。

圖1 綜合管廊與道路位置關系（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，基坑安全等級為一級。計算得：圍護墻須坑底以下插入長度10.70 m、圍護墻插入比為1.62、插入長度與基坑寬度的比為3.69；坑內設1道H型鋼水平內支撐，每幅墻設2根；頂部利用導墻兼作擋土墻，并在預制連續(xù)墻頂部預埋鋼板，其上焊扶壁工字鋼，形成板肋結構（圖2）。

圖2 綜合管廊基坑橫剖面示意

圍護墻位移、彎矩、剪力包絡圖及各項安全系數(shù)均采用啟明星FRWS軟件（版本號7.2）計算（圖3）。

圖3 圍護墻位移、彎矩、剪力包絡圖

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，圍護墻坑底以下插入長度遠大于基坑寬度。綜合管廊基坑兩側的圍護墻將管廊下側的土體固定在有限的空間內，一側圍護墻位于另一側被動區(qū)土壓力滑動面（破壞面）內，起到抗滑移的作用；坑內土體處于有側限狀態(tài)，改變被動區(qū)土體的應力狀態(tài)。

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

針對本工程，坑底抗隆起（圓弧滑動）安全系數(shù)為控制性指標，計算中未考慮對側土體及圍護結構對坑底抗隆起（圓弧滑動）假定滑動面的影響。然而，本工程圍護墻坑底以下插入長度遠大于基坑寬度，實際開挖暴露的坑底非常有限，空間效應對計算結果有著不容忽視的影響。然而，根據(jù)規(guī)范計算的結果無法反映狹長型基坑的實際破壞情況，計算結果過于保守。若按此設計、施工，將造成極大的浪費。

2 有限元分析

針對這種情況，通過巖土工程有限元軟件建立數(shù)值模型，對實際工況模擬、分析，為施工現(xiàn)場開展試驗性研究做準備。

2.1 模型參數(shù)

本次計算采用硬化模型本構關系，即Harding-soil模型。

Harding-soil模型（簡稱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限儀固結試驗獲得，便于工程應用。并且，HS模型在處理回彈（卸載）問題時引入了Eur模量，在模擬、分析開挖問題時具有獨特的優(yōu)勢。本次計算中，土體采用硬化模型本構關系，鋼支撐采用線彈性本構模型，變形計算考慮流固耦合。

另外，采用摩爾-庫倫模型和強度折減法進行穩(wěn)定性分析。

本工程模型長78 m、深30 m，對于管廊基坑開挖，可認為消除了邊界效應的影響。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 計算結果

通過有限元模型計算，當插入比大于等于0.5時，圍護墻水平位移、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 圍護墻水平位移與插入比關系

圖6 周邊最大沉降量與插入比關系

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

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

圖7 圍護墻最大彎矩與插入比關系

利用強度折減法分析插入比對基坑穩(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，一般插入比不小于0.8。結合本工程狹長型基坑，將插入比定為0.8，開展現(xiàn)場試驗性應用。

圖8 強度折減法安全系數(shù)與插入比關系

3 結論

本工程管廊基坑為狹長型溝槽，按現(xiàn)有基坑規(guī)范計算，本工程基坑圍護墻插入比為1.39，插入長度與基坑寬度的比為3.17。若按此計算結果應用、實施，將引起較大浪費。

現(xiàn)行規(guī)范中，土壓力計算均采用基于半無限空間假定的郎金土壓力理論，將計算剖面視坑內無限大的區(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)本工程實際情況，結合有限元軟件建立數(shù)值模型，進行模擬、分析，發(fā)現(xiàn)：

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

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

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