多砂土质深基坑开挖对邻近地下综合管廊结构影响研究＊

孔令宇，杨 铮，彭 渤，陈晓勇，刘盛开

（中建三局集团有限公司，湖北 武汉 30064）

1 工程概况

中国人民大学通州新校区位于北京市通州区潞城镇，北京城市副中心核心区域，毗邻北京行政办公区，四至范围为东至春明西街、南至运河东大街、西至前北营街、北至兆善大街。

中国人民大学通州新校区西区学部楼一期项目（以下简称本项目）住于北京市通州新城TZ00-0604-6010地块内，该地块地处校园西入口北侧，毗邻副中心行政办公区，东邻畅和西路，南邻明德街，北侧为代征绿地，总建设用地面积19 880.805m2，总建筑面积54500m2，其中地上建筑面积25135m2，地下建筑面积29365m2。本工程由1号楼新闻学院楼、2号楼艺术学院楼、3号楼未来传播创新中心3个学部楼组成，3个单体建筑地下1层及地上部分相对独立，地下2～3层整体连通。

拟建项目采用整体大基坑形式开挖，开挖深度11.5m，基坑东北侧局部开挖深度13.0m。拟建项目±0.000m标高为21.900m。基坑东侧邻近已建成的畅和西路综合管廊工程。

畅和西路综合管廊工程沿道路中部南北向敷设，目前管廊结构主体工程已完工，畅和西路综合管廊K1+330—K1+555段均采用明挖法施工。本基坑距离畅和西路综合管廊较近，基坑开挖对管廊结构有一定影响。

2 基坑概况

2.1 深基坑概况

拟建基坑开挖面积约1.4万m2，综合考虑文勘期间场地清表及地勘报告中孔口标高，场地内地面标高按-3.900m（绝对标高18.000m）考虑，场地东侧红线外地面标高按-1.900m（绝对标高20.000m）考虑，拟建建筑基坑基底标高为-15.400，-16.600，-16.900m，基底深度为 11.50，12.70，13.00m，基坑开挖周长约525.0m。

绝对标高15.500m以上为黏质粉土层，12.200～15.500m为粉细砂，11.200～12.200m为粉质黏土，9.200～11.200m为粉细砂，8.200～9.200m为有机质黏土，以下多为粉细砂层。

2.2 邻近管廊概况

根据业主单位提供的管网资料，场地东侧有1条南北向综合管廊，距结构外边缘水平距离约20m（见图1）。该段综合管廊工程为单层双跨矩形混凝土框架结构（包括1跨综合舱、1跨能源舱），净跨分别为2.7，3.8m，净高3.0m，覆土厚度约6.0m，顶板、底板及侧墙厚度如图2所示。

图1 基坑与管廊关系

图2 综合管廊结构截面

综合管廊结构沿环向设置变形缝，变形缝最大间距30m，缝宽30mm，变形缝处设置承插口连接。

综合管廊结构顶、底板及侧墙采用C35P8混凝土，保护层靠内侧厚度40mm，靠土壤一侧为50mm。

2.3 支护结构概况

1）场地北侧、西侧及南侧区域采用坡率1∶0.5的复合土钉墙支护。

2）场地东侧基坑支护上部采用坡率1∶0.4的土钉墙，下部采用桩锚支护。

3）场地东侧人防通道处采用坡率为1∶0.5的土钉墙支护。

本工程基坑的侧壁安全等级二级，设计使用年限为1年。基坑坡肩2m范围内无堆载，2.0～10.0m范围内施工超载按照20kPa考虑，基坑东侧局部施工超载按照10kPa考虑。主体结构肥槽宽度按照基础外边线距基坑下口线净距800～1 200mm考虑。

3 变形监测

3.1 基坑监测基准点与监测点布设

基准点应布设在建设工程施工影响范围以外的地质稳定区域，本工程拟布设高程基准点3个，平面基准点4个，当基准点距离所监测工程较远致使监测作业不方便时，宜设置工作基点；基准点和工作基点应在工程施工前埋设，经观测确定其稳定后方可使用。监测期间，基准点应定期复测，施工期间拟3个月复测1次，当使用工作基点时应与基准点进行联测。

工程周边环境与周围岩土体监测点应在施工之前埋设；工程结构监测点应在结构施工过程中根据施工进度及时埋设；监测点埋设完成并稳定后，应至少连续独立进行2次观测，取其稳定值的算术平均值作为初始值。

3.2 基于图像技术的高精度变形监测

在计算机视觉系统中，电荷耦合元件（Charge-coupled Device，简称CCD）上的图像是空间物体在成像平面上的投影。空间物体的几何形状在CCD上以像素的形式体现，并呈一一对应的关系，因此，结合相机几何投影方式及比例尺换算，可由CCD上的目标像素计算出空间中物体的几何尺寸，由目标像素的位移可以计算出空间中物体的实际位移（见图3）。

图3 基于图像技术的高精度变形监测计算原理

3.3 3D变形测量机器人

3D变形测量机器人，即采用徕卡TS50自动完成对监测点的3D变形的监测，其测角精度0.5"，测距精度0.6mm+1ppm，能满足高精度测量要求，徕卡将压电陶瓷驱动技术与异型抛物镜面传输技术运用于TS50全站仪，确保即使在高速旋转状态下，仍能够保证测量达到最佳精度，从而保证高效、可靠；在小视场多个棱镜时缩小目标可视范围，准确锁定目标；更可像数码相机一样拍摄及存储任何测量点的影像资料，丰富了原始数据；即使在极端恶劣的环境下，TS50仍能正常工作；适合全天候的自动化监测。

3.4 管线内力监测

3.4.1 监测方法

振弦式表面应变计是一种表面式应变计，具有抗压、抗径向力等特点，主要应用于各种钢结构或混凝土结构表面应力应变测量。可焊接在钢结构表面或螺栓固定在各种结构的表面进行长期自动化监测和定期检测。主要应用于桥梁、隧道、大坝、建筑、铁路、桩基、管线、空间结构（大型体育场馆）等工程领域及物流机械的钢结构或混凝土结构表面应变测量。

本工程对邻近基坑一侧已投入使用的刚性管线（供水/供暖管线）进行内力监测，由于管线外侧缠绕有防火棉、保温棉等材料，故无法直接焊接到管线表面，为更直接体现管线内力变形情况，采用强力胶粘贴固定至管线表面。

3.4.2 精度控制

振弦式表面应变计监测可采用振弦式频率读数仪进行读数，测试精度达0.15%F·S，第三方监测单位在特殊情况下应增大监测频率。

当被测管线应变荷载作用在应变计上，将振弦式压力传感器的弹性膜片产生变形，产生振弦式应力变化，从而改变振弦的振动频率，频率信号经电缆传输至读数装置（读数仪），即可测出应力计的压力值，同时可以测出埋设点的温度值。

根据仪器编号和设计编号做好记录并存档，严格保护好仪器的引出电缆。

3.4.3 监测数据成果表述

管线内力监测利用与测力计匹配的读数仪黑色引线夹连接测力计中线，红色引线夹依次连接其他颜色电缆线并分别读取相应频率值，同时填写监测原始记录手簿。每次测试时尽量选择相同的时间段，避免温差变化引起钢部件胀缩对测试数据的影响。取多支传感器（不同颜色电线）测试值的平均值作为测力计的本次观测值。管线内力的计算单位为kN，计算结果精确到0.01kN。现场数据采集完毕，及时对监测数据进行处理分析，并对各测点变形发展情况及趋势进行综合分析。

4 基坑开挖引起管廊变形数值分析

4.1 有限元分析原理

有限元是将一个连续体结构离散成有限个单元体，这些单元体在节点处相互铰接，把荷载简化到节点上，计算在外荷载作用下各节点的位移，进而计算各单元的应力和应变。用离散体的解答近似代替原连续体解答，当单元划分得足够密时，与真实解接近。

4.2 基坑数值分析模型

本次分析采用数值分析软件Midas/GTS进行拟建项目基坑施工对既有管廊结构影响的变形分析计算，数值分析模型如图1所示，模型大小为225m×212m×60m，共计84 337个单元，55 656个节点。在模型底面（z=-60m）处施加竖向约束，在模型的侧面（x=0，x=225m；y=0，y=212m）处施加水平约束。数值计算模型依据地勘材料及基坑设计文件建立，未考虑施工过程中出现的异常工况。

图4 基坑计算模型

4.3 建筑回筑荷载

教学楼主体建筑分为地上5层，地下3层。地上建筑考虑荷载标准值按照15kPa/层计算，地下建筑考虑每层荷载标准值按照40kPa/层计算。

4.4 管廊结构的模拟

邻近基坑管廊结构为单层2跨混凝土框架结构。管廊结构采用SHELL单元模拟。

4.5 支护结构模拟

项目支护结构包括放坡体系及桩锚体系，其中细分后还包括冠梁、土钉及锚索。基坑排桩根据抗弯和刚度等效原理，采用SHELL单元模拟，冠梁、排桩结构采用梁单元模拟，土钉及锚杆采用植入式桁架单元模拟。在锚索张拉阶段施加预应力。

4.6 基坑施工的模拟

数值分析过程中考虑了基坑开挖、建筑回筑的施工顺序，施工过程中桩锚、桩撑支护和土体之间的相互作用等因素影响。

4.6.1 准备阶段

模型初始化，生成畅和西路综合管廊进行开挖前的平衡运算，形成基坑开挖前的初始应力场。

4.6.2 基坑开挖阶段

1）进行围护桩施工，做好基坑的围护体，并进行平衡计算。

2）分层放坡开挖远离管廊侧土体，施作坡面喷混凝土及土钉、锚索支护，进行平衡计算。

3）分层放坡开挖邻近管廊侧土体，施作坡面喷混凝土及土钉、锚索支护，进行平衡计算。

4.6.3 建筑回筑阶段

施加教学楼建筑基底荷载至坑底土层，进行平衡计算。

4.7 基坑开挖阶段引起畅和西路综合管廊变形分析

基坑开挖施工引起的管廊近基坑侧侧墙水平位移如图5所示，向坑内变形为正。基坑开挖引起的管廊横断面底板竖向位移如图6所示。基坑开挖引起的管廊纵断面底板竖向位移如图7所示，其中nL/6为测线与东侧墙的距离，L为断面跨度。

图5 基坑开挖引起管廊侧墙水平位移

图6 基坑开挖引起管廊横断面底板竖向位移

图7 基坑开挖引起管廊纵断面底板竖向位移

基坑开挖引起的管廊结构变形呈现两端变形小，中间变形大的规律。其中，最大回弹变形为2.29mm，最大水平位移2.34mm。

4.8 建筑回筑阶段引起畅和西路综合管廊变形分析

建筑回筑施工引起的管廊侧墙水平位移变化趋势与基坑开挖引起管廊侧墙水平位移类似。

建筑回筑引起的管廊横断面底板竖向位移如图8所示。

图8 建筑回筑施工引起的管廊横断面底板竖向位移

建筑回筑引起的管廊纵断面底板竖向位移如图9所示，其中，nL/6为测线与东侧墙的距离，L为断面跨度。

图9 建筑回筑施工引起的管廊纵断面底板竖向位移

建筑回筑引起的管廊结构变形呈现两端变形小，中间变形大。其中，最大沉降变形为4.25mm，最大水平位移3.03mm。

5 结语

如图10所示，基坑开挖过程为回弹过程，由于开挖土体的卸荷，地层表现为回弹。而建筑的回筑过程，由于上部建筑荷载大小超过卸载土体的先期应力，因此土层的变形包括应力段Pi＜Pc的再压缩部分及应力段Pi＞Pc的压缩部分。数值计算的结果与理论基本符合。

图10 管廊结构变形理论分析图

以上模拟了基坑开挖及建筑回筑前后管廊结构在通常工况条件的变形情况，从分析计算结果看，基坑开挖前模拟的管廊结构变形情况与理论变形趋势相同。综合管廊结构外观质量、新旧程度、模拟计算结果及类似工程经验提出管廊结构变形控制标准，保证管廊结构安全。