随着我国城市综合管廊逐步兴起及推广应用,如何安全快速经济地进行管廊基坑的施工就显得尤为关键。与普通基坑相比,尽管管廊基坑断面较小(基坑宽度通常在5～7 m),但施工路段常面临复杂交通和场地条件的限制。为此,国内已有学者对管廊的基坑施工进行了初步的研究: 张熙颖[1]、彭玉来[2]及江张宿[3]的研究主要集中于钢板桩的施工工艺,属于定性研究; 李雪芳[4]对基坑边坡稳定性进行了研究,但未对管廊基坑的承载力与变形给出分析; 董诚[5]、郭子仪[6]、冯新军[7]等人,对基坑在复杂环境下的稳定性进行了研究,但未涉及到管廊基坑; 王魁[8]对管廊基坑施工变形进行了数值模拟,张江涛[9]、施占新[10]对基坑施工支护进行了研究,包旭范[11]对基坑变形控制方法进行了研究,但他们都只停留在基坑变形方面,未对其稳定性进行分析。

基于当前管廊基坑的研究现状,本文拟采用有限元法和极限平衡法相结合对其变形和稳定性问题同时开展分析。分别探讨不同堆土方式、横撑数量、桩长短、桩型变化以及开挖方法等5种主要因素对管廊基坑施工的影响,找出影响基坑变形和稳定性的主要因素,为城市综合管廊的基坑施工提供较为科学合理,且经济的方案。

(七)龙潭岗尚有古建筑遗址。在旧为墨池书楼所在的龙潭岗，1960年代还保留原墨池方整的池形，1970年代初大力发展杉木基地时，才废池成山。2007年春，当地村民清理古池地表时，出土了大量的厚重瓦片及少量陶瓷片。

1 管廊基坑施工变形分析

本文研究的管廊基坑施工场地平整,土层分为杂填土、淤泥质杂填土、圆砾、强风化粉砂质泥岩; 地下水丰富,地震基本烈度6度影响较小。初步设计方案如图1所示。施工为单侧堆载,在两侧坑壁埋入17 m的六型拉森钢板桩,距地面标高0.5 m以及2 m深的地方垂直于钢板桩放置2道250 mm × 250 mm工字钢围檩,平行于钢板桩两端各放置2道直径为300 mm,厚度为10 mm的圆管对撑。

  

图1 基坑设计图(单位: cm)

1.1 有限元模型

为了分析管廊基坑的变形,本文采用大型有限元分析软件ABAQUS进行数值模拟。按照开挖的顺序分3种工况,分别为在开挖0.5 m并设置1道横撑(工况1),开挖2 m并设置第2道横撑(工况2)和开挖到基坑底(工况3)。3种工况下的基坑周围荷载换算情况及模拟如表1和图2所示。对不同堆土情况、减少1道横撑、缩短桩长、边挖边填和变化桩型等5个比较方案分别建立有限元模型。有限元模型的材料参数如表2所示。

  

图2 3种工况模拟图

 

表1 荷载作用及工况荷载组合

  

荷载名及工况 荷载/k N 作用长度/m作用宽度/m平均压强/k P a①汽车-20级 200 4 2 25②挖掘机20 t 200 4 2 25③吊车30 t+管廊30 t 600 5.4 2 55④挖土0.5 m 70 1 8 8.75⑤挖土2 m 280 1 8 35⑥挖土8 m 1120 1 8 140工况1荷载组合 ①+②+④组合作用工况2荷载组合 ①+②+⑤组合作用工况3荷载组合 ①+③+⑥组合作用

 

表2 有限元材料参数

  

材料 重度/(kN·m−1) 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 泊松比 弹性模量/MPa杂填土 18.5 8 10 0.33 17淤泥质土 18.5 10 6 0.30 23圆砾 21.0 3 30 0.25 47粉砂质泥岩 21.5 35 25 0.28 90钢材 - - - 0.30 210000

1.2 变形分析

按初步设计的方案施工,通过有限元计算分析可得: (1) 基坑的水平位移云图在工况1～3情况下的结果如图3所示; (2) 取不同工况的位移最大值和应力最大值进行比较,得到3种工况的最大位移和应力如表3所示。

尽管通过有限元变形分析可得到管廊基坑的位移和应力的分布规律,能为基坑的变形监测提供指导,但实际工程中人们更关注基坑的安全性,即基坑边坡的稳定性。为此,本文在有限元变形分析的基础上,采用极限平衡法软件Geo-Studio对管廊基坑的稳定安全性做进一步分析。

  

图3 3种工况水平位移云图

 

表3 3种工况的最大位移和应力

  

土体 桩 横撑工况 水平位移/m m 竖直位移/m m 水平应力/M P a 水平侧移/m m 正应力/M P a 轴向位移/m m 正应力/M P a 1 3.36 15.35 0.165 3.31 6.96 3.25 4.322 11.32 53.48 0.177 11.81 13.61 6.43 6.523 583.40 820.10 0.419 7.61 514.20 2.82 267.90

不同横撑设置、钢板桩长度以及堆载变化时,分析基坑边坡稳定性计算的结果可以发现: (1) 将原模型的第 1道横撑去掉后进行稳定性分析,经过试算得到当横撑处设置的水平推力为1150 kN时,基坑边坡最小稳定系数为1.310 (>1.3),边坡趋于稳定,但此时横撑水平推力明显过大; (2) 将原模型中的拉森钢板桩埋入地面17 m改为15 m进行稳定分析,当仍然采用与17 m桩相同的横撑水平推力时,边坡稳定系数为 1.142 (<1.301),稳定系数下降12.2%,边坡不稳定。经过试算得到,当第1道横撑处设置的水平推力为530 kN,第2道横撑处设置的水平推力为660 kN时,基坑边坡最小稳定系数为 1.345 (>1.3),边坡才能趋于稳定; (3) 将原模型按照两边堆土建立模型,经试算得到第1道横撑处设置的水平推力为280 kN,第2道横撑处设置的水平推力为430 kN时,基坑边坡最小稳定系数为1.340 (>1.3),边坡趋于稳定,而当采用一边堆土时,在第1道横撑处设置相近水平推力300 kN,第2道横撑处设置相近水平推力500 kN,此时基坑边坡最小稳定系数只有0.493,远小于1.3,可见从稳定性上而言,两边堆土远好于一边堆土。(4) 稳定性试算中,若考虑到地下水的影响,可将地下水位以上基坑土层材料用 0.8的折减系数对其材料强度折减。折减后的材料参数见表5。

刘佳抓着我撒腿就跑，我第一次知道他原来那么会跑，亮晶晶的汗液顺着他光洁的额头滑落到脖子上，清早榕树叶上的露水都没有它那么剔透美丽。

(2) 1道横撑较2道横撑时的应力位移值均有一定的增长;

不同横撑设置的基坑稳定性计算。由于横撑设置必需悬空,故采用在相同位置施加2道水平推力以代替横撑的作用。由于本文研究的管廊所在地区受地震影响不大,故不考虑地震工况。桩的挡土力按拉森钢板桩每延米范围内的重力取328 kN。横撑设置的变化如图5所示。取其最不利情况下的参数为基坑宽7 m、基坑挖深8 m、坑壁各向左右延伸15 m及拉森钢板桩埋深17 m并高出地面0.5 m。在距坑侧11 m处设置100 kN的车道荷载,距坑侧2 m处设置600 kN的施工荷载,距坑侧0～8 m设置重度为20 kN/m3的堆土荷载。1道横撑仅设置在距离原地面标高2 m处; 2道横撑则分别布设在距离原地面标高0.5 m和2 m处,二者的钢板桩长均为17 m。

(1) 采用两边堆土以及使用组合型钢板桩时,能明显抑制土体水平位移,从而有效增强管廊基坑施工的安全性;

不同桩长的基坑稳定性计算。将模型中的拉森钢板桩埋深17 m改为15 m,其他条件不变,重新计算基坑边坡的稳定系数,最终可得到不同桩长变化对应的横撑力以及稳定系数如图6所示。

(5) 当管廊基坑开挖方式采取边挖边填时,其最大应力和位移也能显著地减小。

  

图4 几种方案的水平位移云图

 

表4 几种方案的最大位移和应力

  

注: 各比较方案中除一边堆土方案外,其他方案均为两边堆土。

 

方案类型 水平位移/mm 竖直位移/mm 水平应力MPa水平侧移/mm 正应力/MPa轴向位移/mm 正应力/MPa土体 桩 横撑一边堆土 583 820 0.560 475 514 432 218两边堆土 67.49 176.9 0.418 67.49 276 36.8 130不堆土 31.52 55.9 0.311 31.52 144 10.23 681道横撑 97.5 204.6 0.440 97.5 311 38.9 72.292道横撑 67.49 176.9 0.418 67.49 276 36.8 13015 m桩 77.3 190.6 0.422 77.3 302 42.1 157.917 m桩 67.49 176.9 0.418 67.49 276 36.8 1304型钢板桩 80.7 181 0.425 80.7 340 37 1306型钢板桩 67.49 176.9 0.418 67.49 276 36.8 130组合6型桩 55.4 173 0.408 55.4 224 36.8 130边挖边填 47.4 106.9 0.376 47.4 203 22 96.3先挖再填 67.49 176.9 0.418 67.49 276 36.8 130

2 稳定性分析

从表 3可以看出,初步设计方案在最不利工况 3时,基坑水平侧移以及桩和横撑轴向应力明显偏大。可见,为了使管廊基坑施工更加经济、有效和安全,有必要对原初设计方案进行优化。为此,在初步设计方案的基础上,分别考虑不同堆土情况、减少横撑、缩短桩长、改变桩型以及边挖边填等5种施工方案变化对基坑水平侧移以及横撑轴向应力的影响。通过有限元计算得到 5种施工方案的水平侧移云图如图4所示及5种比较方案的最大位移和应力结果如表4所示。

假设在用户用电量确定基础上，审视各种能源情况，目前核聚变发电还在试验阶段，产业化还未排出时间表；核裂变发电由于安全性及基于核废料的环保处理难题的考虑，目前主要在沿海建设，规模也不会像原来燃煤电厂那样大规模发展；电能大规模经济储存还有困难；风电、光伏发电受天气影响，不太稳定，同时对电网稳定性有一定影响；水电在枯水期或干旱天气会影响发电能力。目前上述问题主要由煤电作为调剂，但煤电被替代为清洁能源后，需要一种不受季节、天气影响、能随时调峰、具备清洁能源特征的能源作为支撑，以确保全国电网安全稳定运行，而天然气分布式能源能满足上述要求。

2.1 稳定性分析模型

在稳定性分析模型中,材料参数及强度指标采用与有限元分析相同的参数(表2)。分别计算不同横撑设置、钢板桩长度以及堆载变化对管廊基坑稳定性的影响,得到相应的滑动面以及稳定系数。

(3) 如果减少1道横撑且缩短桩长至15 m,土体水平位移会有明显的增大,将极大地影响管廊施工的安全性;

(4) 当管廊基坑采用小型号的钢板桩时,其应力位移值都会随之增大,而采用组合型钢板桩时,其应力位移值都会随之减小;

  

图5 横撑对基坑边坡稳定性的影响

  

图6 桩长对基坑边坡稳定性的影响

两边堆土时基坑稳定性计算。将原模型按照两边堆土建立模型,基坑边坡最小稳定系数将相较于一边堆土时增大,边坡趋于稳定。两边堆土时的横撑力以及稳定系数如图7所示。

在语义学层面，“融合”比“一体化”（或“整合”） 更显操作上的柔性，比“交流”和“合作”则显成效上的深刻性［5］。在价值取向上，融合承认双方的共同之处及差异，对于需要包容的差异予以合理的道德承认甚至制度安排，最终在此基础上建构共有认同。同时，融合发展与利益输送有明显的差别，它既意味着共创利益、共享利益，也寻求培育共同的价值体系。所以，经济社会融合发展是一个渐进过程，也是一个求同化异的包容理解、磨合融会的过程［6］。

  

图7 两边堆土基坑边坡稳定性结果

2.2 稳定性计算结果分析

从图4和表4可以看出:

 

表5 强度折减材料参数

  

材料 重度/(k N·m−3) 黏聚力/(k P a) 内摩擦角/(°)杂填土 18.5 6.4 8.0淤泥质土 18.5 10 6.0圆砾 21.0 3.0 30强风化粉砂泥岩 21.5 35 25

当仍采用与不考虑地下水相同的横撑水平推力时,边坡稳定系数为 1.231 (<1.3),稳定系数下降5.3%。经试算发现,若要将考虑地下水影响的基坑边坡稳定系数提高到1.3以上,则第1道横撑处设置的水平推力需提高至530 kN,第2道横撑处设置的水平推力需提高至640 kN,此时基坑边坡最小稳定系数1.350 (>1.3),边坡趋于稳定。不同横撑水平推力下的稳定系数如表6所示。

 

表6 不同情况下的稳定系数

  

类型 第1道横撑 第2道横撑 稳定系数横撑水平推力原模型方案 520 630 1.301减少1道横撑 - 1150 1.310缩短桩长至15 m 530 660 1.345两边堆土 280 430 1.340考虑地下水 530 660 1.350

3 结论

本文研究城市综合管廊施工的影响因素时,采用有限元法和极限平衡法相结合,重点研究了五种主要因素对管廊基坑施工的变形以及稳定性的影响,主要结论如下。

Discuss on the Site Layout Planning of Large Coastal Thermal Power Station Xiao Huanhui(118)

(1) 从堆土情况看,当一边堆土时,由于钢板桩的最大正应力为 514 MPa,大于其屈服强度,必须采取两边堆土。在采取两边堆土时,即使在考虑地下水的情况下,钢板桩和横撑的强度也满足要求。

(2) 从变形和稳定性两方面考虑,施工工程中应采用2道横撑,桩长应采用17 m桩,在经济条件允许情况下应采用六型钢板桩,在施工条件允许情况下,可采用边挖边填的施工方法。该方案即为此时最优的管廊基坑施工方案。

试验组放疗期间血栓发生率及肺栓塞、血栓相关死亡率（0.00%、0.00%、0.00%）低于对照组（15.69%、11.76%、11.76%）。试验组放疗完成率（100.00%）高于对照组（88.24%），差异均具有统计学意义（P＜0.05）（见表2）。

参考文献:

[1]张熙颖,孙东雨. 地下管廊工程中拉森钢板桩的施工技术研究[J]. 科技展望,2016,26(10): 81.

[2]彭玉来. 拉森钢板桩基坑支护施工工艺[J]. 安徽水利水电职业技术学院学报,2010,10(4): 41–42.

[3]江张宿. 软土地基下拉森钢板桩的应用[J]. 企业技术开发,2013,32(22): 8–10,13.

[4]李雪芳. 大型管廊基坑失稳原因分析及处理措施[J]. 铁道建筑技术,2014(S1): 374–376.

[5]董诚,郑颖人,唐晓松. 利用有限元强度折减法进行渗流条件下的基坑整体稳定性分析[J]. 土木工程学报,2009,42(3): 105–110.

[6]郭子仪,范振华. 边坡稳定性分析中的有限元极限平衡法[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2014,38(1):79–84.

[7]冯新军. 深基坑稳定性浅析[J]. 河南水利与南水北调,2013(16): 94-95.

[8]王魁,毕景佩. 明挖地下管廊深基坑变形数值模拟分析[J]. 福建建材,2017(9): 37–39.

[9]张江涛,豆红强,王浩. 滨海软土地区综合管廊基坑开挖钢板桩支护性状分析[J]. 水利与建筑工程学报,2016,14(6):120–125.

[10]施占新. 围护体插入深度与刚度对基坑变形的影响[J]. 施工技术,2004,33(10): 10–12.

[11]包旭范. 软土地基超大型基坑变形控制方法研究[D]. 成都: 西南交通大学,2008.