楊 碩，孔府祥，郭 楓，于東亮

(1.北京市政路橋股份有限公司，北京 100045； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

0 引言

地下綜合管廊是在城市地下建造一個(gè)集電力、熱力、燃?xì)狻⒔o水、排水、通信等市政管線于一體的城市綜合通道，是保障城市安全、提高城市綜合承載能力的重要基礎(chǔ)設(shè)施。隨著我國(guó)城市化水平的不斷提高，為滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的要求，近幾年全面推進(jìn)地下綜合管廊建設(shè)已然成為基建熱點(diǎn)[1]。

針對(duì)地下綜合管廊基坑整體狹長(zhǎng)的特點(diǎn)[2]，因單次基坑開挖較長(zhǎng)，若支撐不及時(shí)，基坑長(zhǎng)時(shí)間暴露將會(huì)導(dǎo)致基坑變形[3]，造成坑底隆起、基坑周圍土體滑移、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題[4-5]。采用“鋼板樁+內(nèi)支撐”的支護(hù)形式，不僅支護(hù)作用顯著，而且可以降低造價(jià)、節(jié)省施工空間及縮短工期[6]。但鋼板樁支護(hù)設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，支護(hù)作用失效[7]，不利于基坑穩(wěn)定。因此為了保證地下綜合管廊施工的質(zhì)量與安全性，有必要對(duì)“鋼板樁+內(nèi)支撐”支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性深入探究。Rashid等[8]結(jié)合數(shù)值分析，對(duì)比Z形鋼板樁與U形鋼板樁，指出U形鋼板樁之間鎖扣的剪切阻力直接影響鋼板樁的剛度，施工時(shí)要予以重視。Xie等[9]利用有限元數(shù)值分析，對(duì)管廊基坑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，指出鋼支撐水平間距是影響施工效率及安全的關(guān)鍵因素。劉陽(yáng)平[10]結(jié)合實(shí)際工程，總結(jié)了鋼板樁施工流程及施工要點(diǎn)，論證了鋼板樁支護(hù)的高效性與經(jīng)濟(jì)性。姜天華等[11]將實(shí)際工程與數(shù)值模型相結(jié)合，研究了鋼板樁圍堰的強(qiáng)度和變形，發(fā)現(xiàn)鋼板樁角部周圍受力最大，提出要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)鋼板樁角部的連接和中間支撐變形。楊圣峰等[12]通過(guò)數(shù)值分析模擬不同工況鋼板樁的應(yīng)力及變形情況，驗(yàn)證鋼板樁與內(nèi)支撐應(yīng)力在實(shí)際工程中的適用性。駱冠勇等[13]通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果，指出鋼板樁之間存在相互滑動(dòng)，影響鋼板樁的剛度與變形量，同時(shí)引入角撐結(jié)構(gòu)以優(yōu)化鋼支撐支護(hù)體系。

目前關(guān)于管廊基坑鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性研究較少，大多數(shù)研究拘泥于施工描述與總結(jié)，未深入研究鋼板樁的受力變形特性。本文依托世園會(huì)園區(qū)外圍地下綜合管廊基坑工程，并采用有限元分析軟件建立數(shù)值模型，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模型結(jié)合進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)研究鋼支撐位置及水平間距對(duì)鋼板樁變形的影響，提出了“鋼板樁+內(nèi)支撐”支護(hù)體系的合理優(yōu)化建議，研究成果可為此類鋼板樁工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

世園會(huì)綜合管廊位于山間盆地南部，媯水河北岸二級(jí)階地上，屬?zèng)_、洪積平原地貌，百康路地勢(shì)東高西低，地層厚度沿線變化較小。由巖土勘察報(bào)告可知，最大勘探深度25.0m內(nèi)地層劃分為6大層，自新到老劃分為：①層粉質(zhì)黏土素填土，①1層雜填土，②層粉質(zhì)黏土，②1層黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土，③層粉質(zhì)黏土，③1層粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土，③2層黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土，④層粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土，⑤層細(xì)砂，⑥層粉質(zhì)黏土、重粉質(zhì)黏土。在測(cè)水孔最大深度20.0m范圍實(shí)測(cè)到兩層地下水為上層滯水和潛水，上層滯水穩(wěn)定水位埋深為2.35 ～5.72m，含水層為②1層黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土和③層細(xì)砂；潛水穩(wěn)定水位埋深為8.15～9.00m，含水層為⑤層細(xì)砂。

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

百康路綜合管廊位于北京市延慶區(qū)世園會(huì)外側(cè)，管廊線路全長(zhǎng)2 500m，位于道路中央隔離帶范圍。本文研究段為K0+420—K0+460，總長(zhǎng)40.0m，基坑開挖深度8.0m，支護(hù)結(jié)構(gòu)為“鋼板樁+內(nèi)支撐”，采用拉森Ⅳ型鋼板樁，插入深度12.0m，設(shè)置2道鋼腰梁，采用雙拼I45b，分別位于基坑0.5m處和3.0m處，鋼腰梁相應(yīng)位置設(shè)2道φ609×14鋼支撐，水平間距4.0m，第1道鋼支撐預(yù)加力100kN，第2道鋼支撐預(yù)加力200kN。工程地質(zhì)剖面如圖1所示，基坑支護(hù)橫斷面如圖2所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面

圖2 基坑支護(hù)橫斷面

2 數(shù)值模型建立

2.1 基本假定

2.1.1模型及地層參數(shù)

1)本構(gòu)模型 本文模擬巖土體的計(jì)算模型遵循莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，鋼板樁、鋼支撐及鋼腰梁的本構(gòu)均采用線彈性模型。

2)計(jì)算域 本文選取研究段為百康路綜合管廊K0+420—K0+460，基坑開挖深度為8.0m，其計(jì)算域范圍取值為：基坑開挖影響深度為3～5倍開挖深度，影響寬度也為3～5倍開挖深度[14]，因此確定所建的模型尺寸為90m×60m×45m，如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型示意

3)地層 根據(jù)工程地質(zhì)剖面以及百康路勘察報(bào)告，K0+420—K0+460研究段的地層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)取值如表1所示。將各地層參數(shù)導(dǎo)入MIDAS GTS NX中，以實(shí)際地層標(biāo)高的平均值為計(jì)算域內(nèi)各地層厚度，各地層模擬為各向同性，設(shè)置為修正莫爾-庫(kù)倫模型，采用3D混合網(wǎng)格生成六面體實(shí)體單元，進(jìn)行模擬計(jì)算。

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

2.1.2支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1)鋼板樁 在地層中采用“析取”功能建立拉森Ⅳ型鋼板樁，插入深度12.0m，有效寬度W為400mm，有效高度h為170mm，厚度t為15.5mm。由于此鋼板樁在MIDAS GTS NX中較難模擬，因此在模擬鋼板樁時(shí)，根據(jù)單根鋼板樁剛度等效，利用式(1)，將鋼板樁等效為均質(zhì)連續(xù)的矩形鋼板，計(jì)算得h=0.112m。

(1)

式中：h為等效后的矩形鋼板厚度(m)；α為鋼板樁的剛度折減系數(shù)，一般取0.3；I為鋼板樁折減后的抗彎截面模量，拉森IV型鋼板樁的抗彎截面模量為每延米38 600cm4；b為單位寬度(m)。

2)鋼支撐 置鋼支撐兩端與地層共節(jié)點(diǎn)耦合，采用φ609×14鋼管，水平間距設(shè)置為4.0m。依據(jù)實(shí)際工程，將鋼支撐用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，建立截面為外徑0.3m、內(nèi)徑0.286m的空心鋼管。

3)鋼腰梁 在地層中“析取”鋼腰梁，采用雙拼I45b，1D梁?jiǎn)卧M，截面參數(shù)為高度450mm，腿寬度152mm，腰厚度13.5mm。自上而下共設(shè)2道，分別位于基坑0.5m和3.0m處。支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型如圖4所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖4 支護(hù)結(jié)構(gòu)三維模型示意

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1.3荷載及邊界條件

1)施工荷載 ①支護(hù)結(jié)構(gòu)的重度按實(shí)際考慮，鋼重度為78.5kN/m3；②添加自重，荷載分量Gx，Gy為0，Gz為-1；③添加2道鋼支撐預(yù)應(yīng)力，選取梁?jiǎn)卧愋停褂谩凹辛Α惫δ茉阡撝蝺啥四M預(yù)加頂力，分別為100，200kN。

2)邊界條件 本次模型使用“約束”功能里的“自動(dòng)約束”，考慮全部網(wǎng)格組，限制位移。

2.2 基坑開挖施工階段模擬

根據(jù)此次基坑工程實(shí)際的分層分段開挖情況，通過(guò)MIDAS GTS NX軟件中“施工階段管理”的“鈍化”功能實(shí)現(xiàn)基坑土體開挖，使用“激活”功能完成基坑開挖過(guò)程中鋼板樁、鋼支撐及鋼腰梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工布設(shè)。本文模擬基坑開挖采用分層開挖法，施工階段共5個(gè)步驟，如表3所示。

表3 施工階段各步驟情況

2.3 模型與監(jiān)測(cè)結(jié)果擬合分析

本次世園會(huì)綜合管廊基坑工程施工過(guò)程中，基坑開挖卸荷使得周圍土體發(fā)生沉降變形，進(jìn)而引起鋼板樁整體向坑內(nèi)的水平位移。通過(guò)鋼板樁外側(cè)以及基坑周邊布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別得到鋼板樁水平位移與地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比數(shù)值模型結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的鋼板樁水平位移、地表沉降，驗(yàn)證數(shù)值模型的可行性。數(shù)值模型計(jì)算所得鋼板樁水平位移如圖5所示，地層沉降如圖6所示。

圖5 鋼板樁水平位移云圖

圖6 地層沉降位移云圖

鋼板樁水平位移對(duì)比曲線如圖7所示，地表沉降對(duì)比如圖8所示。由圖7可知，在基坑開挖完成時(shí)，鋼板樁深層水平位移的監(jiān)測(cè)值與模擬值變化規(guī)律在基坑內(nèi)4.0～8.0m基本一致，但在基坑上部0～3.0m兩者差異較大。分析原因可能為實(shí)際施工過(guò)程中鋼腰梁未安裝牢固，現(xiàn)場(chǎng)鋼支撐安裝不規(guī)范[15]，預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生松弛損失，從而導(dǎo)致該處水平位移的監(jiān)測(cè)值與模擬值差異較大。由圖8可知，基坑開挖完成時(shí)，地表沉降的監(jiān)測(cè)值與模擬值基本一致，存在的誤差可能為實(shí)際施工過(guò)程中施工車輛和材料堆積的影響，因兩者數(shù)值差異較小，可以近似忽略不計(jì)。

圖7 鋼板樁水平位移對(duì)比曲線

圖8 基坑開挖完成后地表沉降對(duì)比

綜合上述分析，可以確定采用MIDAS GTS NX建立的模型能夠合理反映出實(shí)際鋼板樁水平位移的變化情況，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，滿足分析要求。

3 鋼支撐位置對(duì)鋼板樁變形的影響

3.1 第1道鋼支撐位置的影響

為研究第1道鋼支撐位置對(duì)鋼板樁變形的影響，在數(shù)值模型中保持第2道鋼支撐布設(shè)在基坑3.0m處的位置不變(即第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.375)，分別計(jì)算出第1道鋼支撐位于基坑0.5，1.0，1.5，2.0m處的鋼板樁水平位移(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.063，0.125，0.188，0.25)，如圖9所示。分析可知：當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.375保持不變，第1道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.063變?yōu)?.125和0.188時(shí)，在2道鋼支撐作用位置鋼板樁的水平位移減小幅度較大，2道鋼支撐以下位置(即基坑3.0m以下)隨著基坑深度增加，水平位移減小幅度逐漸降低；當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.063變?yōu)?.25時(shí)，因2道鋼支撐位置距離較近，鋼板樁水平位移隨著基坑深度增加不減反增，2道鋼支撐組合效應(yīng)無(wú)法發(fā)揮，反而使得水平位移整體增大，效益堪憂。因此，適當(dāng)降低第1道鋼支撐位置，可以相應(yīng)減小鋼板樁的水平位移，第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188時(shí)效果更好，而2道鋼支撐豎直距離較近則不利于基坑變形穩(wěn)定。

圖9 第1道鋼支撐位置對(duì)鋼板樁水平位移的影響

3.2 第2道鋼支撐位置的影響

在數(shù)值模型中保持第1道鋼支撐布設(shè)在基坑0.5m處的位置不變(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.063)，分別計(jì)算第2道鋼支撐在基坑3.0，4.0，5.0，6.0m處的鋼板樁水平位移(即第2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.375，0.5，0.625，0.75)，如圖10所示。分析可知：當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.063保持不變，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.375變?yōu)?.5和0.625時(shí)，鋼板樁最大水平位移顯著減小，其中第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5時(shí)，減小幅度為21%，而第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時(shí)，減小幅度達(dá)53%；此外，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.375變?yōu)?.625過(guò)程中，即隨著第2道鋼支撐位置的降低，基坑1.0 ～3.0m范圍內(nèi)的鋼板樁水平位移逐漸增大，此時(shí)增大幅度并不顯著。當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比由0.375變?yōu)?.75時(shí)，雖然鋼板樁最大水平位移有所減小，但由于此時(shí)2道鋼支撐豎直距離較遠(yuǎn)，最大水平位移位置上移，且基坑1.0～4.0m范圍內(nèi)，水平位移均顯著增大，位移曲線“弓”形明顯外擴(kuò)。因此，適當(dāng)降低第2道鋼支撐的位置，則可以減小鋼板樁的水平位移，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時(shí)，作用效益最佳，而2道鋼支撐位置豎直距離較遠(yuǎn)則不利于基坑整體變形穩(wěn)定。

圖10 第2道鋼支撐位置對(duì)鋼板樁水平位移的影響

3.3 2道鋼支撐最優(yōu)組合位置分析

綜合上述分析，可知第1道鋼支撐位于基坑0.5m處和2.0m處(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.063和0.25)基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移較大，不利于基坑整體穩(wěn)定性。因此，為探究2道鋼支撐最優(yōu)支撐組合位置，著重分析第1道鋼支撐分別位于基坑1.0，1.5m處(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.125和0.188)，第2道鋼支撐分別位于基坑3.0，4.0，5.0，6.0m處(即第2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.375，0.5，0.625，0.75)對(duì)鋼板樁水平位移的影響，如圖11所示。

圖11 2道鋼支撐最優(yōu)組合位置分析

分析可知，當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.125和0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.375和0.75，此時(shí)4種鋼支撐組合位置所發(fā)揮的支撐作用并不顯著，鋼板樁水平位移減小幅度較小。當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.125，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5和0.625兩種情況相比較，基坑4.0m以下范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時(shí)，鋼板樁水平位移顯著減小，較第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5處整體減小了近40%，但基坑4.0m以上范圍內(nèi)第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625時(shí)鋼板樁水平位移卻較大，但增大并不顯著。另外，當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5和0.625兩種組合情況的鋼板樁水平位移曲線，與第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.125，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.5和0.625兩種支撐組合基本一致，不同之處為此時(shí)兩種組合位置的基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均減小，位移曲線“弓”形整體向內(nèi)收縮，并且第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625的支撐組合位置發(fā)揮作用最為顯著，較最初支護(hù)設(shè)計(jì)(即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.063，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.375)，基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均顯著減小，最大水平位移減小幅度達(dá)50%。因此，由上述分析得到2道鋼支撐最優(yōu)組合位置為：第1道鋼支撐位于基坑1.5m處，第2道鋼支撐位于基坑5.0m處，即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625。

3.4 鋼支撐不同水平間距的影響

本次世園會(huì)管廊基坑工程所設(shè)置的鋼支撐水平間距為4.0m，通過(guò)調(diào)整研究段內(nèi)數(shù)值模型中2道鋼支撐水平間距分別為2.0，3.0，4.0，5.0，6.0m，計(jì)算得到如圖12所示的鋼支撐不同水平間距的鋼板樁水平位移曲線，以百康路基坑支護(hù)所要求的鋼支撐水平間距4.0m為基準(zhǔn)水平間距，對(duì)比鋼支撐各水平間距對(duì)鋼板樁水平位移的影響。分析可知，隨著2道鋼支撐水平間距增大，沿基坑縱向鋼板樁支護(hù)的水平位移逐漸增大；鋼支撐水平間距減小，沿基坑縱向鋼板樁支護(hù)的水平位移也隨之減小；在基坑縱向1.0m至基坑底部8.0m之間，鋼支撐水平間距無(wú)論增大或減小，其發(fā)揮的支護(hù)作用都在逐漸減弱，鋼板樁水平位移減小最顯著的位置是在基坑1.0m處、水平間距為2.0m時(shí)減小了84%。但縱觀所有鋼支撐水平間距對(duì)鋼板樁支護(hù)水平位移的影響，以水平間距4.0m為基準(zhǔn)，增大或減小鋼支撐水平間距所引起的鋼板樁水平位移變化并不明顯。雖然減小鋼支撐水平間距相應(yīng)變形會(huì)減小，但產(chǎn)生的收益并不高，反而會(huì)影響施工工期以及增大工程成本；而以基坑設(shè)計(jì)安全合理為前提，適當(dāng)增大鋼支撐水平間距，則可以獲得縮短工期、降低成本的收益。

圖12 鋼支撐不同水平間距的鋼板樁水平位移對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文所研究?jī)?nèi)容依托于世園會(huì)園區(qū)外百康路地下綜合管廊基坑工程，通過(guò)有限元分析軟件MIDAS GTS NX，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的鋼板樁水平位移及地表沉降進(jìn)行對(duì)比擬合，對(duì)管廊沿線基坑開挖過(guò)程中鋼支撐不同作用位置引起的鋼板樁支護(hù)變形進(jìn)行分析探討，重點(diǎn)研究模擬段內(nèi)2道鋼支撐的不同支撐位置以及不同水平間距對(duì)鋼板樁支護(hù)水平位移的影響，得到如下結(jié)論。

1)通過(guò)數(shù)值模型中改變2道鋼支撐的位置，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低第1道鋼支撐位置對(duì)2道鋼支撐作用位置以下(即基坑3.0m以下)鋼板樁水平位移影響較小；而適當(dāng)降低第2道鋼支撐的位置能夠有效減小鋼板樁最大水平位移，但基坑3.0m以上范圍水平位移會(huì)逐漸增大；當(dāng)?shù)?道鋼支撐位置與基坑深度之比由最初模擬設(shè)計(jì)的0.375調(diào)整為0.625，鋼板樁最大水平位移由6.73mm減小至3.56mm，減小幅度達(dá)53%。

2)鋼板樁的水平位移受2道鋼支撐的豎直距離組合位置影響，當(dāng)2道鋼支撐豎直距離較近時(shí)(即2道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.25與0.375)，基坑整體范圍8.0m內(nèi)鋼板樁水平位移均略有增大，增幅較?。划?dāng)2道鋼支撐豎直距離較遠(yuǎn)時(shí)(即兩道鋼支撐位置與基坑深度之比分別為0.063與0.75)，鋼板樁最大水平位移位置上移，基坑5.0m以上范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均增大，且增幅甚至達(dá)到了50%～80%。因此兩道鋼支撐豎直距離較近或較遠(yuǎn)均會(huì)引起鋼板樁水平位移的增大，不利于基坑變形穩(wěn)定。

3)針對(duì)本次管廊基坑研究段范圍內(nèi)，2道鋼支撐最優(yōu)組合位置為：第1道鋼支撐位于基坑1.5m處，第2道鋼支撐位于基坑5.0m處，即第1道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.188，第2道鋼支撐位置與基坑深度之比為0.625，此時(shí)基坑整體范圍內(nèi)鋼板樁水平位移均顯著減小，最大水平位移減小幅度達(dá)50%。

4)鋼板樁水平位移隨著鋼支撐水平間距的增大而逐漸增大，增幅相對(duì)較小?，F(xiàn)場(chǎng)施工中鋼支撐水平間距為4.0m即安全合理，但因管廊基坑單次開挖較長(zhǎng)，在基坑設(shè)計(jì)安全合理的前提下，可以適當(dāng)增大鋼支撐水平間距，以獲得縮短工期、降低工程成本的收益。