孔令宇，楊 錚，彭 渤，陳曉勇，劉盛開

（中建三局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 30064）

1 工程概況

中國(guó)人民大學(xué)通州新校區(qū)位于北京市通州區(qū)潞城鎮(zhèn)，北京城市副中心核心區(qū)域，毗鄰北京行政辦公區(qū)，四至范圍為東至春明西街、南至運(yùn)河?xùn)|大街、西至前北營(yíng)街、北至兆善大街。

中國(guó)人民大學(xué)通州新校區(qū)西區(qū)學(xué)部樓一期項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱本項(xiàng)目）住于北京市通州新城TZ00-0604-6010地塊內(nèi)，該地塊地處校園西入口北側(cè)，毗鄰副中心行政辦公區(qū)，東鄰暢和西路，南鄰明德街，北側(cè)為代征綠地，總建設(shè)用地面積19 880.805m2，總建筑面積54500m2，其中地上建筑面積25135m2，地下建筑面積29365m2。本工程由1號(hào)樓新聞學(xué)院樓、2號(hào)樓藝術(shù)學(xué)院樓、3號(hào)樓未來(lái)傳播創(chuàng)新中心3個(gè)學(xué)部樓組成，3個(gè)單體建筑地下1層及地上部分相對(duì)獨(dú)立，地下2～3層整體連通。

擬建項(xiàng)目采用整體大基坑形式開挖，開挖深度11.5m，基坑?xùn)|北側(cè)局部開挖深度13.0m。擬建項(xiàng)目±0.000m標(biāo)高為21.900m?；?xùn)|側(cè)鄰近已建成的暢和西路綜合管廊工程。

暢和西路綜合管廊工程沿道路中部南北向敷設(shè)，目前管廊結(jié)構(gòu)主體工程已完工，暢和西路綜合管廊K1+330—K1+555段均采用明挖法施工。本基坑距離暢和西路綜合管廊較近，基坑開挖對(duì)管廊結(jié)構(gòu)有一定影響。

2 基坑概況

2.1 深基坑概況

擬建基坑開挖面積約1.4萬(wàn)m2，綜合考慮文勘期間場(chǎng)地清表及地勘報(bào)告中孔口標(biāo)高，場(chǎng)地內(nèi)地面標(biāo)高按-3.900m（絕對(duì)標(biāo)高18.000m）考慮，場(chǎng)地東側(cè)紅線外地面標(biāo)高按-1.900m（絕對(duì)標(biāo)高20.000m）考慮，擬建建筑基坑基底標(biāo)高為-15.400，-16.600，-16.900m，基底深度為 11.50，12.70，13.00m，基坑開挖周長(zhǎng)約525.0m。

絕對(duì)標(biāo)高15.500m以上為黏質(zhì)粉土層，12.200～15.500m為粉細(xì)砂，11.200～12.200m為粉質(zhì)黏土，9.200～11.200m為粉細(xì)砂，8.200～9.200m為有機(jī)質(zhì)黏土，以下多為粉細(xì)砂層。

2.2 鄰近管廊概況

根據(jù)業(yè)主單位提供的管網(wǎng)資料，場(chǎng)地東側(cè)有1條南北向綜合管廊，距結(jié)構(gòu)外邊緣水平距離約20m（見圖1）。該段綜合管廊工程為單層雙跨矩形混凝土框架結(jié)構(gòu)（包括1跨綜合艙、1跨能源艙），凈跨分別為2.7，3.8m，凈高3.0m，覆土厚度約6.0m，頂板、底板及側(cè)墻厚度如圖2所示。

圖1 基坑與管廊關(guān)系

圖2 綜合管廊結(jié)構(gòu)截面

綜合管廊結(jié)構(gòu)沿環(huán)向設(shè)置變形縫，變形縫最大間距30m，縫寬30mm，變形縫處設(shè)置承插口連接。

綜合管廊結(jié)構(gòu)頂、底板及側(cè)墻采用C35P8混凝土，保護(hù)層靠?jī)?nèi)側(cè)厚度40mm，靠土壤一側(cè)為50mm。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)概況

1）場(chǎng)地北側(cè)、西側(cè)及南側(cè)區(qū)域采用坡率1∶0.5的復(fù)合土釘墻支護(hù)。

2）場(chǎng)地東側(cè)基坑支護(hù)上部采用坡率1∶0.4的土釘墻，下部采用樁錨支護(hù)。

3）場(chǎng)地東側(cè)人防通道處采用坡率為1∶0.5的土釘墻支護(hù)。

本工程基坑的側(cè)壁安全等級(jí)二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為1年?；悠录?m范圍內(nèi)無(wú)堆載，2.0～10.0m范圍內(nèi)施工超載按照20kPa考慮，基坑?xùn)|側(cè)局部施工超載按照10kPa考慮。主體結(jié)構(gòu)肥槽寬度按照基礎(chǔ)外邊線距基坑下口線凈距800～1 200mm考慮。

3 變形監(jiān)測(cè)

3.1 基坑監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在建設(shè)工程施工影響范圍以外的地質(zhì)穩(wěn)定區(qū)域，本工程擬布設(shè)高程基準(zhǔn)點(diǎn)3個(gè)，平面基準(zhǔn)點(diǎn)4個(gè)，當(dāng)基準(zhǔn)點(diǎn)距離所監(jiān)測(cè)工程較遠(yuǎn)致使監(jiān)測(cè)作業(yè)不方便時(shí)，宜設(shè)置工作基點(diǎn)；基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)應(yīng)在工程施工前埋設(shè)，經(jīng)觀測(cè)確定其穩(wěn)定后方可使用。監(jiān)測(cè)期間，基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)定期復(fù)測(cè)，施工期間擬3個(gè)月復(fù)測(cè)1次，當(dāng)使用工作基點(diǎn)時(shí)應(yīng)與基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)。

工程周邊環(huán)境與周圍巖土體監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在施工之前埋設(shè)；工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)在結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中根據(jù)施工進(jìn)度及時(shí)埋設(shè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)完成并穩(wěn)定后，應(yīng)至少連續(xù)獨(dú)立進(jìn)行2次觀測(cè)，取其穩(wěn)定值的算術(shù)平均值作為初始值。

3.2 基于圖像技術(shù)的高精度變形監(jiān)測(cè)

在計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中，電荷耦合元件（Charge-coupled Device，簡(jiǎn)稱CCD）上的圖像是空間物體在成像平面上的投影。空間物體的幾何形狀在CCD上以像素的形式體現(xiàn)，并呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此，結(jié)合相機(jī)幾何投影方式及比例尺換算，可由CCD上的目標(biāo)像素計(jì)算出空間中物體的幾何尺寸，由目標(biāo)像素的位移可以計(jì)算出空間中物體的實(shí)際位移（見圖3）。

圖3 基于圖像技術(shù)的高精度變形監(jiān)測(cè)計(jì)算原理

3.3 3D變形測(cè)量機(jī)器人

3D變形測(cè)量機(jī)器人，即采用徠卡TS50自動(dòng)完成對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的3D變形的監(jiān)測(cè)，其測(cè)角精度0.5"，測(cè)距精度0.6mm+1ppm，能滿足高精度測(cè)量要求，徠卡將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)與異型拋物鏡面?zhèn)鬏敿夹g(shù)運(yùn)用于TS50全站儀，確保即使在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，仍能夠保證測(cè)量達(dá)到最佳精度，從而保證高效、可靠；在小視場(chǎng)多個(gè)棱鏡時(shí)縮小目標(biāo)可視范圍，準(zhǔn)確鎖定目標(biāo)；更可像數(shù)碼相機(jī)一樣拍攝及存儲(chǔ)任何測(cè)量點(diǎn)的影像資料，豐富了原始數(shù)據(jù)；即使在極端惡劣的環(huán)境下，TS50仍能正常工作；適合全天候的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

3.4 管線內(nèi)力監(jiān)測(cè)

3.4.1 監(jiān)測(cè)方法

振弦式表面應(yīng)變計(jì)是一種表面式應(yīng)變計(jì)，具有抗壓、抗徑向力等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于各種鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)表面應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量?？珊附釉阡摻Y(jié)構(gòu)表面或螺栓固定在各種結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行長(zhǎng)期自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和定期檢測(cè)。主要應(yīng)用于橋梁、隧道、大壩、建筑、鐵路、樁基、管線、空間結(jié)構(gòu)（大型體育場(chǎng)館）等工程領(lǐng)域及物流機(jī)械的鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變測(cè)量。

本工程對(duì)鄰近基坑一側(cè)已投入使用的剛性管線（供水/供暖管線）進(jìn)行內(nèi)力監(jiān)測(cè)，由于管線外側(cè)纏繞有防火棉、保溫棉等材料，故無(wú)法直接焊接到管線表面，為更直接體現(xiàn)管線內(nèi)力變形情況，采用強(qiáng)力膠粘貼固定至管線表面。

3.4.2 精度控制

振弦式表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測(cè)可采用振弦式頻率讀數(shù)儀進(jìn)行讀數(shù)，測(cè)試精度達(dá)0.15%F·S，第三方監(jiān)測(cè)單位在特殊情況下應(yīng)增大監(jiān)測(cè)頻率。

當(dāng)被測(cè)管線應(yīng)變荷載作用在應(yīng)變計(jì)上，將振弦式壓力傳感器的彈性膜片產(chǎn)生變形，產(chǎn)生振弦式應(yīng)力變化，從而改變振弦的振動(dòng)頻率，頻率信號(hào)經(jīng)電纜傳輸至讀數(shù)裝置（讀數(shù)儀），即可測(cè)出應(yīng)力計(jì)的壓力值，同時(shí)可以測(cè)出埋設(shè)點(diǎn)的溫度值。

根據(jù)儀器編號(hào)和設(shè)計(jì)編號(hào)做好記錄并存檔，嚴(yán)格保護(hù)好儀器的引出電纜。

3.4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)成果表述

管線內(nèi)力監(jiān)測(cè)利用與測(cè)力計(jì)匹配的讀數(shù)儀黑色引線夾連接測(cè)力計(jì)中線，紅色引線夾依次連接其他顏色電纜線并分別讀取相應(yīng)頻率值，同時(shí)填寫監(jiān)測(cè)原始記錄手簿。每次測(cè)試時(shí)盡量選擇相同的時(shí)間段，避免溫差變化引起鋼部件脹縮對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。取多支傳感器（不同顏色電線）測(cè)試值的平均值作為測(cè)力計(jì)的本次觀測(cè)值。管線內(nèi)力的計(jì)算單位為kN，計(jì)算結(jié)果精確到0.01kN?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集完畢，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并對(duì)各測(cè)點(diǎn)變形發(fā)展情況及趨勢(shì)進(jìn)行綜合分析。

4 基坑開挖引起管廊變形數(shù)值分析

4.1 有限元分析原理

有限元是將一個(gè)連續(xù)體結(jié)構(gòu)離散成有限個(gè)單元體，這些單元體在節(jié)點(diǎn)處相互鉸接，把荷載簡(jiǎn)化到節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算在外荷載作用下各節(jié)點(diǎn)的位移，進(jìn)而計(jì)算各單元的應(yīng)力和應(yīng)變。用離散體的解答近似代替原連續(xù)體解答，當(dāng)單元?jiǎng)澐值米銐蛎軙r(shí)，與真實(shí)解接近。

4.2 基坑數(shù)值分析模型

本次分析采用數(shù)值分析軟件Midas/GTS進(jìn)行擬建項(xiàng)目基坑施工對(duì)既有管廊結(jié)構(gòu)影響的變形分析計(jì)算，數(shù)值分析模型如圖1所示，模型大小為225m×212m×60m，共計(jì)84 337個(gè)單元，55 656個(gè)節(jié)點(diǎn)。在模型底面（z=-60m）處施加豎向約束，在模型的側(cè)面（x=0，x=225m；y=0，y=212m）處施加水平約束。數(shù)值計(jì)算模型依據(jù)地勘材料及基坑設(shè)計(jì)文件建立，未考慮施工過(guò)程中出現(xiàn)的異常工況。

圖4 基坑計(jì)算模型

4.3 建筑回筑荷載

教學(xué)樓主體建筑分為地上5層，地下3層。地上建筑考慮荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照15kPa/層計(jì)算，地下建筑考慮每層荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照40kPa/層計(jì)算。

4.4 管廊結(jié)構(gòu)的模擬

鄰近基坑管廊結(jié)構(gòu)為單層2跨混凝土框架結(jié)構(gòu)。管廊結(jié)構(gòu)采用SHELL單元模擬。

4.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬

項(xiàng)目支護(hù)結(jié)構(gòu)包括放坡體系及樁錨體系，其中細(xì)分后還包括冠梁、土釘及錨索?；优艠陡鶕?jù)抗彎和剛度等效原理，采用SHELL單元模擬，冠梁、排樁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M，土釘及錨桿采用植入式桁架單元模擬。在錨索張拉階段施加預(yù)應(yīng)力。

4.6 基坑施工的模擬

數(shù)值分析過(guò)程中考慮了基坑開挖、建筑回筑的施工順序，施工過(guò)程中樁錨、樁撐支護(hù)和土體之間的相互作用等因素影響。

4.6.1 準(zhǔn)備階段

模型初始化，生成暢和西路綜合管廊進(jìn)行開挖前的平衡運(yùn)算，形成基坑開挖前的初始應(yīng)力場(chǎng)。

4.6.2 基坑開挖階段

1）進(jìn)行圍護(hù)樁施工，做好基坑的圍護(hù)體，并進(jìn)行平衡計(jì)算。

2）分層放坡開挖遠(yuǎn)離管廊側(cè)土體，施作坡面噴混凝土及土釘、錨索支護(hù)，進(jìn)行平衡計(jì)算。

3）分層放坡開挖鄰近管廊側(cè)土體，施作坡面噴混凝土及土釘、錨索支護(hù)，進(jìn)行平衡計(jì)算。

4.6.3 建筑回筑階段

施加教學(xué)樓建筑基底荷載至坑底土層，進(jìn)行平衡計(jì)算。

4.7 基坑開挖階段引起暢和西路綜合管廊變形分析

基坑開挖施工引起的管廊近基坑側(cè)側(cè)墻水平位移如圖5所示，向坑內(nèi)變形為正?；娱_挖引起的管廊橫斷面底板豎向位移如圖6所示。基坑開挖引起的管廊縱斷面底板豎向位移如圖7所示，其中nL/6為測(cè)線與東側(cè)墻的距離，L為斷面跨度。

圖5 基坑開挖引起管廊側(cè)墻水平位移

圖6 基坑開挖引起管廊橫斷面底板豎向位移

圖7 基坑開挖引起管廊縱斷面底板豎向位移

基坑開挖引起的管廊結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)兩端變形小，中間變形大的規(guī)律。其中，最大回彈變形為2.29mm，最大水平位移2.34mm。

4.8 建筑回筑階段引起暢和西路綜合管廊變形分析

建筑回筑施工引起的管廊側(cè)墻水平位移變化趨勢(shì)與基坑開挖引起管廊側(cè)墻水平位移類似。

建筑回筑引起的管廊橫斷面底板豎向位移如圖8所示。

圖8 建筑回筑施工引起的管廊橫斷面底板豎向位移

建筑回筑引起的管廊縱斷面底板豎向位移如圖9所示，其中，nL/6為測(cè)線與東側(cè)墻的距離，L為斷面跨度。

圖9 建筑回筑施工引起的管廊縱斷面底板豎向位移

建筑回筑引起的管廊結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)兩端變形小，中間變形大。其中，最大沉降變形為4.25mm，最大水平位移3.03mm。

5 結(jié)語(yǔ)

如圖10所示，基坑開挖過(guò)程為回彈過(guò)程，由于開挖土體的卸荷，地層表現(xiàn)為回彈。而建筑的回筑過(guò)程，由于上部建筑荷載大小超過(guò)卸載土體的先期應(yīng)力，因此土層的變形包括應(yīng)力段Pi＜Pc的再壓縮部分及應(yīng)力段Pi＞Pc的壓縮部分。數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與理論基本符合。

圖10 管廊結(jié)構(gòu)變形理論分析圖

以上模擬了基坑開挖及建筑回筑前后管廊結(jié)構(gòu)在通常工況條件的變形情況，從分析計(jì)算結(jié)果看，基坑開挖前模擬的管廊結(jié)構(gòu)變形情況與理論變形趨勢(shì)相同。綜合管廊結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量、新舊程度、模擬計(jì)算結(jié)果及類似工程經(jīng)驗(yàn)提出管廊結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)，保證管廊結(jié)構(gòu)安全。