1 引言

隨著我國經濟迅速發(fā)展和城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進， 地下工程的建設規(guī)模也日益增加。 城市綜合管廊可以提高地下空間的應用效率， 并解決地下結構建設過程中的各種交叉沖突。 目前，大部分城市綜合管廊項目都是采用明挖法施工，基坑開挖深度較大，施工時間長，不可預見施工風險大[1]。如果基坑支護方案選擇不合理，可能出現(xiàn)坍塌事故，造成一定的財產損失或人員傷亡。 為了確保施工安全，必須針對城市管廊深基坑進行特殊設計， 而不能盲目照搬相鄰區(qū)域內一般基坑項目的處治方案。 因此，進一步分析、探討城市綜合管廊深基坑支護結構和計算方法具有十分重要的工程意義。

2 城市管廊深基坑變形機理及影響因素

2.1 深基坑變形機理

城市管廊深基坑在施工期間， 土體開挖卸荷是導致其變形的關鍵原因。 一方面，土體開挖會破壞深基坑坑壁的水土壓力平衡，使得深基坑坑壁產生向內的水平變形；另一方面，土體開挖導致基坑底部的自重應力減小， 使得坑底土體向上回彈隆起。同時，上述兩種變形又會導致深基坑周邊地表沉降[2]。

2.1.1 坑壁水平變形

一般情況下，城市管廊深基坑施工是先開挖，再設置水平支撐構件。 在基坑開挖初期，坑壁無水平支撐，在主動土壓力作用下會產生朝向基坑內側的水平變形， 此時水平位移的峰值出現(xiàn)在基坑頂面。 隨著水平支撐的施工，坑壁水平位移被約束，其峰值也逐漸向下移動，如圖1 所示。

圖1 深基坑水平位移變化趨勢

2.1.2 坑底隆起變形

相關研究成果表明，當基坑開挖深度較淺時，坑底的隆起變形基本屬于彈性變形，基坑開挖結束后變形隨之停止。 而城市綜合管廊深基坑開挖深度較大， 除了土體卸荷產生的向上隆起變形外，基坑周邊土體的水平位移擠壓坑底，也會加劇基坑底部的隆起變形，使得坑底土體的隆起變形呈“中間高四周低”趨勢。 此時，深基坑隆起不會隨開挖結束而恢復，與坑底附加應力大小密切相關，稱之為塑性變形。

2.1.3 地表沉降

深基坑周邊地表沉降形式主要有三角形和拋物線形兩種。 當深基坑支護結構嵌入坑底深度較小或開挖后尚設置水平支撐，地表沉降呈三角分布；反之，當深基坑底部土體強度高，且支護結構嵌入深度大，地表沉降多呈拋物線分布[3]。

2.2 深基坑變形影響因素

2.2.1 水文地質條件

城市綜合管廊深基坑工程大多位于城市中心， 周圍建筑物密集，對基坑變形要求十分嚴格。 水文地質條件（如土體的內摩擦角、泊松比、地下水位等）是影響深基坑變形及支護體系選擇的關鍵因素。 當深基坑在無黏性砂土地區(qū)施工時，由于土體物理力學性能較好，坑底回彈變形較小，水平方向的最大位移一般出現(xiàn)在基坑中間。

2.2.2 設計因素

深基坑支護體系設計內容主要有支護結構和水平支撐的選擇、支護結構嵌固深度和布置間距的確定、預應力施加等。如支護結構的嵌固深度越長，其控制變形效果不一定越好。 在一定范圍內增加嵌固長度，能夠減小深支護結構的水平變形，提高基坑底部的抗隆起穩(wěn)定性。 如果超出此范圍，繼續(xù)增加嵌固長度對基坑穩(wěn)定性的提升效果不明顯， 反而增加了工程造價，使得設計方案經濟性較差。

2.2.3 施工因素

在城市管廊深基坑施工期間具有明顯的 “時間效應”和“空間效應”，其施工順序、施工工藝等對基坑的變形和穩(wěn)定性有最直接影響。 時間效應是指基坑開挖后暴露時間越長，支護結構和周圍土體的變形越明顯；空間效應是指基坑開挖期間，未擾動土體會對基坑土體的變形產業(yè)一定程度的限制作用[4]。

3 城市管廊深基坑支護形式及支護體系類型

常見的綜合管廊深基坑支護形式有支擋結構、土釘墻、自然放坡等。

3.1 自然放坡

自然放坡是深基坑開挖最經濟的方案， 但所需的作業(yè)空間是最大的，開挖和回填方量大，一般適用于無地下水且土質較好的路段。 如果施工條件允許、安全性驗算也滿足規(guī)范，可將自然放坡作為深基坑開挖的首選方案。 同時，自然放坡開挖可單獨采用，也可與其他支護形式聯(lián)合使用。

3.2 土釘墻支護

土釘墻支護對地基土擾動小，造價低，在深基坑開挖中應用十分廣泛。 顧名思義，土釘墻由“土釘”和“墻”兩部分組成，其中土釘是支護結構地主要受力構件， 常用土釘類型有鉆孔型、打入型、打入注漿型等；墻體通常由鋼筋網片、加強筋、噴射混凝土面層等部分組成。 土釘墻不適用于以下幾種土層[5]：第一，含水豐富的砂層。 在開挖時擾動砂層，使得砂層與噴射混凝土間產生軟弱滑動層， 降低錨固體與地層的黏結性。 第二，膨脹類土。 膨脹土吸水膨脹后黏聚力迅速降低，在土釘注入膠凝材料時容易出現(xiàn)基坑坍塌。 第三，非原狀土。 這類土固結度較低，黏聚力小，無法為土釘提供足夠的握裹力，也導致土釘墻無法發(fā)揮其支護作用。

3.3 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁支護屬于支擋式結構的一種。 在深基坑開挖之前， 在基坑周圍鉆孔并澆筑混凝土， 形成排樁以抵抗邊坡水、土壓力。 按照基坑土質和地下水位不同，可分為干作業(yè)成孔和濕作業(yè)成孔[6]。

干作業(yè)成孔深度一般高于地下水位，具有施工簡單、施工效率高、質量可靠等有限，適用于黏性土、砂土等；濕作業(yè)成孔期間需在孔內灌注泥漿，以達到保護護壁、冷卻鉆頭、預防塌孔、攜帶鉆渣等作用，施工成本較高，適用于地下水位較高的基坑。

4 城市管廊深基坑支護算例分析

有限元法計算精確度高， 能夠充分考慮基坑區(qū)域內土層的不均勻性。因此，筆者選擇MIDAS 軟件建立計算模型，研究了某城市高新區(qū)綜合管廊深基坑的變形規(guī)律。

4.1 模型尺寸及計算參數

該綜合管廊深基坑開挖深度為場平高程以下7 m，兩側邊線寬40 m，距南側邊線14 m 處有一條雙向兩車道的次干路，距右側邊線4 m 處有3 棟高層建筑物群，采用“土釘墻+ 鉆孔灌注樁”的聯(lián)合支護方案。由JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》可知，深基坑開挖對周邊地表沉降的影響范圍能達到4~5 倍的開挖深度，因此模型尺寸取長×寬×高=240 m×130 m×28 m。

該深基坑地質條件復雜，地層從上至下依次為素填土、強風化及中風化砂質泥巖。 各層土的計算參數取值為：素填土重度19 kN/m3、黏聚力5 kPa、內摩擦角10°、彈性模量4.5 MPa；強風化砂質泥巖重度23.5 kN/m3、 黏聚力30 kPa、 內摩擦角25°、彈性模量20 MPa；中風化砂質泥巖重度25 kN/m3、黏聚力50 kPa、內摩擦角35°、彈性模量36 MPa。

4.2 計算模型建立

在MIDAS 軟件中可以用內置的solid 實體單位模擬基坑， 用板單元模擬坡面噴射混凝土， 用梁單元模擬鉆孔灌注樁。 在綜合考慮計算精確和計算效率前提下，靠近建筑物的模型單元格尺寸加密，網格尺寸取0.1 m，其他部位網格尺寸取0.5 m，共劃分出3 846 個節(jié)點，3 228 個節(jié)點，如圖2 所示。

圖2 深基坑三維計算模型

4.3 約束條件及施工工況

計算模型中的土釘、 鉆孔灌注樁構件在三維網格組中計算時，除了要施加重力荷載和邊界約束外，還應當施加節(jié)點約束以限制其轉動自由度。

基坑周圍巖土體屬彈塑性材料， 在計算之前需先進行初始地應力平衡（位移清零），否則可能導致計算結果不收斂。 根據綜合管廊深基坑施工工序，劃分為以下5 個計算工況：基坑灌注樁施工→第一步基坑開挖， 打入土釘→噴射混凝土面層→第一步基坑開挖→噴射混凝土面層。

4.4 計算結果分析

在該城市綜合管廊深基坑支護體系中， 鉆孔灌注樁水平位移量或位移速率過大會引起支護系統(tǒng)整體失穩(wěn)， 從而導致基坑坍塌。 由計算結果可知，灌注樁水平位移最大值出現(xiàn)在樁頂，達到了15.68 mm，方向朝基坑內側，滿足規(guī)范要求。

此外， 還計算了深基坑開挖后影響范圍內的地表沉降變形，模擬結果見圖3。

圖3 深基坑周邊累計沉降計算結果

由圖3 可知：基坑開挖后，地表出現(xiàn)了沉降變形，且隨著計算點距基坑邊的距離的增加，其沉降先增加減小，在距坑邊8 m 左右達到峰值。

在深基坑開挖初期，周圍地表沉降較?。? mm 以內），隨著基坑的不斷開挖，周圍地表沉降峰值也逐漸增加。 深基坑開挖結束后，周圍地表沉降峰值為5.2 mm，滿足規(guī)范要求。

5 結論