陳元盛，黨發(fā)寧

(1.西安理工大學 土木建筑工程學院，陜西 西安 710048；2.陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710010)

隨著我國經濟不斷發(fā)展，城市化進程不斷推進，城市人口越來越密集，土地資源日益緊張，市政基礎設施供應壓力不斷增大，為滿足不斷發(fā)展的城市需求，地下綜合管廊建設數量與日俱增。綜合管廊的建設可以解決傳統(tǒng)直埋式管線使用壽命短、后期維修管理不便等問題，將多種市政管線集中于人工地下空間內，實現前期統(tǒng)一規(guī)劃、中期統(tǒng)一設計施工、后期統(tǒng)一維修管理，形成一種現代化、集約化的新型城市基礎設施，對緩解城市市政壓力以及促進城市地下空間規(guī)劃發(fā)展具有重大意義[1]。地下綜合管廊施工多位于城市中心，現場施工環(huán)境復雜，一般多穿越地表或地下結構，如何在保證地下綜合管廊安全施工的同時，不影響周邊既有建筑的安全，成為地下綜合管廊建設亟待解決的問題。

綜合管廊發(fā)源于19世紀歐洲，法國巴黎在19世紀30年代建立了世界上第一條城市地下綜合管廊[2]，用以放置壓縮空氣、自來水給水和通訊等市政管道。經過多年的使用，管廊的良好工作效益為人們所認可，管廊開始在法國、英國等歐美國家推廣使用。20世紀綜合管廊傳入亞洲，1923年，在關東大地震之后，日本在九段坂、濱町等地修建了共同溝，截至目前，日本成為當今世界上綜合管廊建設速度最快、法律法規(guī)最完善、技術最先進的國家[3]。相較于國外成熟的地下綜合管廊理論和技術體系，我國綜合管廊建設起步晚、發(fā)展慢。1958年，我國在北京天安門廣場建造了第一條綜合管廊，其長度約1 km，管廊內包含電力、暖氣、電信等市政管線[4]。進入21世紀以來，通過大量的管廊理論研究和實踐，我國地下綜合管廊建設取得了快速發(fā)展，2015年更是出現了井噴式的增長，未來5年將是我國管廊建設的高峰期。截至2017年底，中國大陸綜合管廊的在建里程達6 575 km，并以每年2 000 km的規(guī)模增長[5]。

國內外學者就基坑明挖造成土體與圍護結構的變形影響問題以及綜合管廊施工引起臨近既有結構變形沉降問題進行了大量研究。1943年，Terzaghi[6]就提出了基坑開挖坑底抗隆起穩(wěn)定系數的概念，隨后 Mana等[7]在其基礎上，通過對監(jiān)測數據的整理總結，給出了坑底抗隆起穩(wěn)定系數與支護結構最大側移之間的關系。1970年，Ishihara[8]分析了土體性質、基坑尺寸等影響基坑周邊土體變形的多個因素。2004年，Moormann[9]對全世界530個基坑的現場監(jiān)測數據進行整理和歸納，對支護結構水平位移和地表沉降進行了分析。2006年，王素霞[10]運用PLAXIS軟件建立臨近既有建筑的基坑開挖模型，揭示了基坑開挖對建筑的影響規(guī)律。2014年，陳曉瑞等[11]對南京某綜合管廊的施工進行監(jiān)測，并運用FLAC3D對管廊基坑施工過程進行動態(tài)模擬，通過現場監(jiān)測數據與數值模擬對比，得出施工過程中基坑沉降、水平位移、支護軸力等的變化規(guī)律。2017年，Goh A.T.C等[12]通過有限元數值模擬，在分別改變土體性質、基坑深度及寬度、墻體的剛度、墻體的錨固深度及基坑長寬比、黏土層厚度的情況下，討論研究了圍護墻體的水平位移。2018年，陶紅霞[13]以成都天府新區(qū)綜合管廊明挖施工項目為研究對象，研究明挖深基坑的整體變形，通過ABAQUS模擬管廊施工動態(tài)過程，模擬結果與現場實測變形特征吻合，反映了綜合管廊明挖過程中的土體變形規(guī)律，驗證了噴錨加固體系可以減小基坑邊坡頂部區(qū)域沉降值。2018年，馮天煒等[14]通過Midae-GTX軟件對地下綜合管廊明挖施工過程進行動態(tài)模擬，分析管廊開挖過程對臨近地鐵的影響。2019年，楊友彬等[15]以昆明某綜合管廊臨近既有地鐵隧道為工程背景，通過將數值模擬與現場監(jiān)測相結合，研究綜合管廊基坑臨近既有隧道在施工過程中的加固措施及處理范圍。2019年，王莉等[16]以北京市副中心綜合管廊建設為工程背景，基于有限差分程序，對綜合管廊箱涵上穿既有地鐵的頂進施工方案進行優(yōu)化分析，研究不同方案下圍巖、地鐵的應力、位移及塑性區(qū)分布的規(guī)律。2019年，郭曜禎等[17]依托成都管廊項目，對臨近橋樁基礎的綜合管廊施工過程進行數值模擬，從樁基與基坑距離、基坑支護體系兩個方面計算分析了施工過程對樁基位移的影響。

綜上所述，國內外學者對臨近既有結構的綜合管廊施工已經進行了大量研究，并取得了一些突出成果。但由于綜合管廊施工涉及領域廣泛，不僅涉及基坑開挖、支護等巖土問題，還涉及綜合管廊和臨近建筑變形等結構性問題；同時，綜合管廊具有很強的區(qū)域性，周邊施工環(huán)境復雜，影響因素眾多，故上述研究仍有諸多不足，不能滿足日益發(fā)展的綜合管廊設計和施工需求。因此，本文依托漢中市地下綜合管廊項目，通過現場監(jiān)測與數值模擬相結合的方法，對綜合管廊明挖施工過程中的圍護結構變形以及臨近建筑沉降進行研究，總結分析基坑圍護結構變形和建筑沉降的變化規(guī)律，以期為相似綜合管廊工程的設計施工提供參考與借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

地下綜合管廊項目位于漢中市，共分為三個施工標段，中標段起始于天漢大道東側，終止于益州路西側，管廊施工自西向東，綜合管廊設計為雙艙截面，艙型為綜合艙和電力艙，艙型尺寸分別為B×H=1.9 m×2.6 m、B×H=2.2 m×2.6 m。監(jiān)測段為中標段，管廊全長3.160 km，位于K0+080～K0+160段，即漢中市天漢大道與漢寧路交叉口。距離綜合管廊基坑1 m處存在臨近建筑物，即兩棟混凝土框架結構的稅務局建筑，其中高層待測建筑為6層18 m，低層建筑為4層12 m，臨近建筑與綜合管廊位置如圖1所示。

圖1 綜合管廊臨近建筑物Fig.1 Buildings adjacent to utility tunnel

本次現場監(jiān)測主要針對臨近建筑的管廊K0+080～K0+160標段，監(jiān)測期為2018年4月～6月，該標段各施工工序與施工起始時間(月/日)如表1所示。

表1 各施工工序與起始時間Tab.1 Construction process and starting time

1.2 工程水文地質條件

根據現場地質勘探，綜合管廊場地地層含有雜填土、粉質黏土、中砂和卵石。

1)雜填土Q4ml：灰黃色、青灰色、褐黃色；由粉質黏土、建筑垃圾、生活垃圾組成，含磚瓦碎屑、有機質、植物根系、蟲孔、蟲糞等，土層稍濕～濕，松散堆積年限約5年，結構紊亂，均勻性較差，鉆探揭露厚度：0.30 m～3.20 m，層底高程：503.10 m～506.10 m。

2)粉質黏土Q4al：灰黃色、褐黃色；土層含鐵錳質氧化物，可塑，稍有光澤，無搖震反應。局部夾有粉土薄層，鉆探揭露厚度：0.50 m～4.80 m，層底高程：500.40 m～505.40 m。

3)中砂Q4al：灰白色、灰黃色；由石英、長石、云母、暗色礦物組成，級配較好。局部夾有細砂層及粉土層，下部夾有礫石。土層稍濕～濕，松散，鉆探揭露厚度：0.40 m～4.40 m，層底高程：498.25 m～503.00 m。

4)卵石Q4al：雜色；由石英巖、砂巖、灰?guī)r組成，磨圓度較好，多呈圓狀和亞圓狀，卵石直徑2 cm～6 cm，夾有中、粗砂層，土層很濕～飽和，中密～很密。層頂深度：3.20 m～8.10 m。

1.3 綜合管廊基坑支護方案

地下綜合管廊基坑支護設計方案采用放坡明挖法加橫向內支撐，基坑開挖深度為6 m，噴射混凝土強度等級為C20，厚度80 mm，第一道橫向內支撐位于基坑頂部向下1.2 m處(受施工場地限制，現場施工與設計有所出入)，被直徑609 mm、壁厚16 mm的鋼管支撐，鋼圍檁為雙拼H50×30 cm，開挖支護參數如圖2所示。

圖2 綜合管廊基坑開挖支護方案Fig.2 Utility tunnel foundation pit excavation support scheme

2 綜合管廊鄰近建筑現場監(jiān)測

兩棟稅務局建筑距離管廊基坑1 m左右，綜合管廊施工過程會對周邊建筑物沉降產生影響，因此有必要對綜合管廊現場鄰近建筑進行監(jiān)控測量。鄰近建筑現場監(jiān)測布置方案如圖3所示，鄰近建筑測點1～5的沉降監(jiān)測結果如圖4所示，測點6～10的沉降監(jiān)測結果如圖5所示。

圖3 稅務局測點布置示意圖Fig.3 Layout of measuring points of tax bureau

圖4 測點1～5的沉降隨時間變化曲線(2018)Fig.4 Settlement curve of measuring point 1～5 with time in 2018

圖5 測點6～10的沉降隨時間變化曲線(2018)Fig.5 Settlement curve of measuring point 6～10 with time in 2018

由圖4可知，建筑物測點1～5的沉降曲線有所波動，但建筑物整體沉降值逐漸增大。建筑物各階段沉降速率不同，在管廊施工初期，建筑物的沉降較大，沉降速率較快，后期逐漸趨于平緩。測點1～5的沉降值依次為3.1 mm、2.7 mm、1.9 mm、2.2 mm、2.4 mm，測點1的沉降值最大，平均沉降速率為0.052 mm/d，滿足《GB50497—2009建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》要求1.2 mm/d，建筑物的沉降處于安全范圍內。

由圖5可知，測點7～10臨近6層建筑物，在6層建筑物段施工初期，其沉降值發(fā)展較快，后期逐漸趨于平緩，最終沉降值依次為3.4 mm、3.7 mm、4.8 mm、4.6 mm；測點6位于4層建筑物附近，在4層建筑物段施工時，其沉降有突變，初期發(fā)展較快，后期逐漸穩(wěn)定，累計沉降值為2.3 mm。測點6～10位于建筑物臨近基坑側，受管廊施工影響較大，整體沉降值比測點1～5沉降值大。建筑物發(fā)生了偏向基坑的傾斜，最大沉降差為2.1 mm，傾斜度為0.13×10-3，小于規(guī)范要求0.008；其中測點9沉降最大，累計沉降4.8 mm，平均沉降速率為0.08 mm/d，小于規(guī)范要求1.2 mm/d，建筑物沉降和傾斜均處于安全范圍，綜合管廊支護設計和現場施工滿足要求。

3 綜合管廊明挖施工數值模擬

3.1 三維模型建立

采用Midas GTS/NX對綜合管廊明挖施工過程進行數值模擬。以漢中市地下綜合管廊工程為原型，基坑開挖深度6 m，支護樁埋深9.2 m，結合現場施工情況與數值模擬需求，模型尺寸定位110 m×70 m×25 m。模型邊界條件采用Midas GTS/NX自帶的“地基邊界”自動約束，對模型土體四個側面進行水平位移約束，模型底部為固定約束，頂部為自由邊界，同時對建筑物樁柱施加旋轉約束，約束建筑物的轉動。荷載條件設置自重荷載，主要考慮土體自重以及管廊和臨近建筑的自重。模型采用修正Mohr-Coulomb本構模型，綜合管廊板、建筑物板、等效地連墻采用二維板單元模擬，建筑物樁、柱子、鋼支撐采用一維梁單元模擬。模型土層相關參數如表2所示，結構單元材料參數如表3所示。

表2 模型土體參數Tab.2 Model soil parameters

表3 模型結構參數Tab.3 Model structure parameters

灌注樁施工時，由于樁間土的“成拱效應”，有限元模擬不易控制，而地下連續(xù)墻與圍護樁受力相似，可以采用抗彎剛度等效法將鉆孔灌注樁等效為對應的地連墻，等效公式為：

(1)

式中：D為鉆孔灌注樁的直徑，mm；t為鉆孔灌注樁的樁間凈距，mm；h為等效地連墻厚度，mm。

實際工程中，鉆孔灌注樁直徑D=800 mm，樁間凈距t=800 mm，所以按照等效公式計算可得等效地連墻厚度h=532 mm，墻長9.2 m，等效后的數值模型如圖6所示。

圖6 數值模型圖Fig.6 Numerical model diagram

3.2 綜合管廊施工工序模擬

結合實際施工工序和計算分析需要，將綜合管廊施工分為以下13個工序(工序3～13與表1相對應)：

1)初始地應力平衡：激活所有土層、邊界條件、荷載、建筑物及建筑物約束，并且勾選位移清零設置；

2)基坑圍護結構施工：激活地連墻，完成地連墻施工；

3)基坑開挖1+支撐施作：鈍化第一層開挖土體，即開挖到0.5 m處，激活冠梁和鋼支撐；

4)基坑開挖2：鈍化第二層開挖土體，即開挖1 m；

5)基坑開挖3：鈍化第三層開挖土體，即開挖1.3 m；

6)基坑開挖4：鈍化第四層開挖土體，即開挖1.2 m；

7)基坑開挖見底：鈍化第五層開挖土體，即開挖2 m，基坑開挖完成；

8)管廊結構1：激活第一段地下綜合管廊，管廊長度30 m；

9)管廊結構2：激活第二段地下綜合管廊，管廊長度30 m；

10)管廊結構3：激活第三段地下綜合管廊，管廊長度30 m；

11)基坑回填1：激活第一層回填土，即回填3.2 m；

12)基坑回填2：激活第二層回填土，即回填至鋼支撐處2.3 m；

13)拆內支撐+回填完成：鈍化鋼支撐，激活回填土至地表，回填完成。

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1圍護結構變形分析

提取圍護結構最終水平位移云圖以及建筑物兩側圍護結構隨工序的變形曲線，如圖7所示。

圖7 圍護結構水平位移圖Fig.7 Horizontal displacement diagram of retaining structure

由圖7可看出如下兩點特征。

1)圍護結構發(fā)生偏向基坑的水平位移，最大水平位移發(fā)生在高層建筑物處。高層建筑兩側基坑圍護結構水平位移呈現不對稱分布，建筑物側位移值為4.2 mm，無建筑對應側位移值為1.5 mm，建筑物自重荷載的存在加大了圍護結構水平側移，導致對應側圍護結構偏離基坑，直到鋼內支撐拆除，對應側圍護結構位移才偏向基坑內部。低層建筑物兩側圍護結構水平位移呈現對稱分布，建筑側水平位移為2.5 mm，無建筑對應側為2.4 mm，低層建筑距離基坑較遠且層高較低，故對基坑圍護結構影響不大。

2)臨近建筑的存在加大了圍護結構的水平側移，但對圍護結構水平位移的變化趨勢沒有影響，四幅圍護結構水平位移曲線圖變化趨勢一致。圍護結構發(fā)生拋物線形變形，隨著施工推進，水平位移最大點逐漸下移，圍護結構最大水平位移位于3.5H處(H為基坑開挖深度)。圍護結構水平位移共發(fā)生兩次突變，基坑開挖完成時圍護結構水平位移有較大增長，鋼內支撐拆除時圍護結構頂部水平位移有較大增長。施工中需要重點關注突變施工節(jié)點，預防事故發(fā)生。

3.3.2臨近建筑物沉降分析

通過模型計算，提取綜合管廊施工完成后的建筑物豎向沉降云圖，并繪制建筑物基礎沉降曲線，如圖8所示。

圖8 臨近建筑物沉降圖Fig.8 Settlement map of adjacent buildings

由圖8可看出如下兩點特征。

1)兩棟建筑發(fā)生明顯的不均勻沉降，隨著基坑距離增加，建筑基礎沉降變小，建筑偏向基坑傾斜，高低層建筑基礎點沉降曲線變化趨勢相似，距離基坑不同距離的建筑，其基礎點沉降曲線隨工序的變化曲線基本一致。建筑基礎沉降值隨工序推進逐漸增大，在基坑開挖完成時，建筑沉降有個突變增長，是施工的危險節(jié)點，基坑開挖階段的建筑沉降值占整個施工過程的建筑沉降值的80%。高層建筑最大沉降值7.2 mm，最遠點建筑沉降2.1 mm，差異沉降5.1 mm，傾斜度為0.000 3；低層建筑最大沉降值2.6 mm，最小沉降值0.8 mm，差異沉降值1.8 mm，傾斜度為0.000 2。

2)高層建筑物在施工初期，圍護結構的施作對其周邊土體會有一個擠壓作用，導致鄰近土體會有一個擠壓隆起，所以出現了施工初期距離基坑近的基礎沉降值反而小于遠處的基礎沉降值，不過隨著基坑開挖深度的增大，基礎沉降變大，這種現象逐漸消失。低層建筑物由于距離基坑較遠，所以圍護結構的施作擠壓對其影響不大。

3.3.3臨近建筑物水平側移影響分析

提取管廊施工完成后的y軸水平位移云圖，并繪制建筑物頂層水平位移隨工序進展的曲線，如圖9所示。

圖9 建筑物水平位移圖Fig.9 Horizontal displacement diagram of buildings

由圖9可看出如下兩點特征。

1)綜合管廊施工造成臨近建筑發(fā)生偏向基坑的水平位移，高層建筑水平位移大于低層建筑水平位移。建筑物水平位移分布具有分層現象，隨著建筑層高的增加，建筑水平位移增大，建筑頂層水平位移最大。

2)高低層建筑的水平位移隨工序的變化趨勢基本相同，隨著施工推進，建筑水平位移增大，在基坑開挖完成時，建筑水平位移發(fā)生突變增長，且同一棟建筑距離基坑不同點的水平位移相同，說明建筑物整體性較好，發(fā)生了一個偏向基坑的整體側移。高層建筑最大水平位移為7 mm，低層建筑最大水平位移3.4 mm，建筑物的自重以及與基坑的距離均會加大建筑物的水平位移，基坑開挖階段建筑物水平側移占總水平側移的70%，所以需要重點關注基坑開挖階段。

3.3.4模擬結果與監(jiān)測數據對比

選取數值模擬中與現場監(jiān)測對應的點位，將建筑物模擬得到的沉降值與現場監(jiān)測值進行對比分析(測點1、2、3、4、5距離基坑16 m，測點6、7、8、9、10距離基坑1.5 m，由于測點7原位于花壇中，偶然因素較大，故測點7取原測點附近墻體處，見圖3)，數據對比分析如圖10所示。

由圖10可知，建筑物的模擬數據和現場監(jiān)測數據有一定差別，但兩者的變形趨勢大體一致。6層建筑的模擬值與監(jiān)測值均為9點最大，3點最??；4層建筑的模擬值與監(jiān)測值均為7點最大，4點最小，模擬值與監(jiān)測值最大絕對差為3.5 mm，說明數值模擬得到的建筑物整體沉降形態(tài)與現場監(jiān)測是一致的，建筑物整體發(fā)生了偏向基坑的位移。數值模擬結果較現場監(jiān)測值偏大，究其原因可能是：①數值模擬本身具有一定的誤差，對建筑模型進行了部分簡化；②模型沒有考慮降水影響以及實際地層并不是水平的，與模型情況不同；③測點位于建筑物的邊角處或凹凸處，這類測點在模型中多屬于危險節(jié)點，易發(fā)生應力集中，造成變形與實際情況出現偏差。兩種方式在數值上雖有一定偏差，但變形趨勢基本一致，并且變形特征也符合一般規(guī)律，說明本模型的建立較為有效，數值模擬過程對綜合管廊施工具有一定的指導與預測作用。

圖10 建筑物模擬與監(jiān)測對比圖Fig.10 Comparison of building simulation and monitoring

4 結 論

本文依托漢中市地下綜合管廊項目，對綜合管廊施工過程中鄰近建筑的沉降進行監(jiān)測，同時運用Midas GTS/NX模擬綜合管廊施工過程，研究施工過程中圍護結構變形及臨近建筑位移的變化特征，并將模擬結果與監(jiān)測數據進行對比分析。

1)通過現場監(jiān)測，臨近建筑發(fā)生偏向基坑的傾斜，建筑最大沉降值為4.8 mm，平均沉降速率為0.08 mm/d，小于規(guī)范要求1.2 mm/d；兩側沉降差為2.1 mm，傾斜度為0.13×10-3，小于規(guī)范要求0.008，臨近建筑安全。建筑物沉降在綜合管廊基坑開挖階段發(fā)展迅速，需要重點關注施工開挖階段，以防工程事故發(fā)生。

2)管廊基坑圍護結構發(fā)生拋物線形變形，最大水平位移值為4.2 mm，位于基坑開挖深度1/2H處(H為基坑開挖深度)，臨近建筑自重荷載的存在會加大圍護結構水平變形，但對圍護結構水平位移隨工序的變化趨勢沒有影響。高層建筑處兩側圍護結構水平位移發(fā)生非對稱變形，且建筑物側圍護結構水平位移值最大；低層建筑處兩側圍護結構水平位移基本對稱。

由模擬分析可知，臨近建筑發(fā)生偏向基坑的不均勻沉降，不同基坑距離的建筑點沉降趨勢一致。同時，臨近建筑發(fā)生偏向基坑的水平位移，水平位移分布具有分層現象，水平位移值隨層高的增加而增大。建筑物的沉降與水平位移均在基坑開挖完成時發(fā)生突變增長，數值模擬結果與現場監(jiān)測數據的變形趨勢基本一致。