基于PLAXIS的地下空间基坑开挖对周边防汛管线设施的影响分析

王 捷

(上海市水利工程设计研究院有限公司，上海 200061)

1 概 述

随着城市发展的提速和规模的扩大，其规划和建设水平也在不断提高，城市地下空间的开发利用变得越来越普及。基坑开挖工程是地下空间施工的必要步骤，但施工开挖过程中往往对周边的防汛设施产生一定影响，如导致周边排水管线、防汛墙产生不均匀沉降等。因此，建立合适有效的岩土力学模型，分析并预测基坑开挖工程对周边防汛设施的影响，是十分必要的。PLAXIS 2D/3D程序是由荷兰PLAXIS B.V.公司推出的一系列功能强大的通用岩土有限元计算软件，已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中。本文以金颛工业园地下空间基坑开挖工程为例，应用PLAXIS 2D有限元分析软件模拟基坑开挖对周边防汛管线设施的影响，预测影响范围内管线设施的沉降量，并给出该基坑支护方案施工对周边防汛管线设施的影响评价。

2 工程概况

2.1 项目概况

上海颛桥工业发展有限公司金颛科创园基地位于上海市闵行区颛桥镇，在嘉闵高架路以东，北松公路以北。其总建筑面积36987.1m2，其中地上总建筑面积32793.8m2，地下公共空间部分建筑面积4193.3m2，建筑密度39.4%，容积率2.0，绿地面积3841.8m2，绿化率20.1%，集中绿地率5.6%。该项目地下公共空间共1层，主要由地下机动车库和消防水池组成，地下室结构底板顶标高-5.75m(项目建成后地坪标高以±0.00m计)，壁厚为0.5m，地下室抗震设防烈度为7度，防水等级为二级，地下室基础结构为桩基础。

本项目地下工程开挖基坑围护采用工法桩(加劲水泥土搅拌桩)结合钢支撑，局部深坑采用双轴搅拌桩进行围护加强，并采用压密注浆进行封底。

2.2 地质概况

拟建场地坐落于上海市闵行区颛桥镇。拟建场区地貌形态单一，属滨海平原地貌类型。现状地面高程在4.01～4.65m范围内，高差为0.64m。

2.2.1 地下土层情况

根据详勘报告描述，拟建场地地基土在40.0m深度范围内均为第四系沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土组成，拟建场地范围内从上至下主要为①-1杂填土、②褐黄—灰黄色粉质黏土等六种土层组成。上述土层中①、②、③、④、⑤层土属全新世Q4沉积物，各层土体主要力学性质见表1。

表1 土层物理力学性质

2.2.2 地下水情况

拟建场地浅部土层中地下水类型为孔隙潜水，实测地下水稳定水位埋深平均为1.00m。承压水分布深度在地下27.9m及以上，依据详勘报告结论，基坑开挖6.0m时，承压水不会对基坑产生不利影响。

2.3 基坑影响范围内防汛设施状况

论证范围为基坑边缘外侧距离基坑开挖深度4倍的范围。根据建设方提供的周边环境图，本报告统计了本项目地下工程邻近河道及市政管线的基本情况，见表2。

表2 项目周边防汛设施汇

续表

本工程基坑开挖最深处约6.0m，因此采用4倍基坑开挖深度来判断基坑周边的防汛设施是否在论证范围。

根据表2，本项目四倍基坑开挖深度范围内的防汛设施为北松公路下DN300给水管及中春大厦地块下DN400雨水管、DN300污水管，并且北松公路下DN800雨水管距离四倍基坑开挖深度范围较近，也纳入本次论证范围。

3 基坑设计方案介绍

根据基坑开挖深度及周边环境条件，本项目基坑围护设计方案拟采用工法桩(土工法)结合钢支撑围护形式，局部深坑采用双轴搅拌桩进行围护，并采用压密注浆进行封底。具体参数如下：基坑开挖深度约6.00m，围护墙采用土工法(12.0m长H500×300×11×18型钢和15.0m长双轴水泥土搅拌桩φ700@1200，水泥掺量13%，插一跳一)，支撑结构前期采用两道φ609×16mm钢支撑，待地下空间底板完工并达到设计强度后拆除第二道钢支撑。局部深坑采用双轴搅拌桩(桩长4.0～6.0m，其余参数同围护桩)进行围护加强，并采用压密注浆进行封底(见图1)。

图1 围护典型剖面图

土方开挖前要进行基坑降水，基坑坑内采用轻型井点降水方案，具体方案为坑内采用真空泵降至坑底或局部落深区以下1.0m。坑外维持自然水位。

4 环境影响数值模拟分析计算和结果

4.1 模型分析与建立

4.1.1 模型分析与建立

a.结构属性确立。本工程基坑围护结构体系拟采用“土工法+钢管支撑”的围护设计方案，参考《岩土工程数值分析》，因HS模型应用于基坑开挖和隧道施工等地下工程的分析时具有较好的精度和适用性，本工程涉及的土体采用HS模型。计算中不同分层土体的重度、黏聚力、摩擦角等参数由勘察报告提供，弹性模量在勘察报告的基础上根据大量类似工程的监测数据反演得到；加劲水泥土桩采用线弹性地连墙模拟；土体和加劲水泥土桩之间的相互作用，采用弹塑性无厚度界面单元进行模拟。

b.结构参数。围护结构与邻近管线相应的截面积、重度与惯性矩等几何参数均折算到每延米范围上来确定。SMW工法桩刚度按等代法折算，为安全计，未考虑刚度提高系数α。计算中考虑临近道路施工荷载按20kN/m2计。渗流条件根据不同开挖深度分别采用潜水位和稳态地下渗流。

c.网格划分和边界条件。基坑计算考虑对称选取一半剖面建模，采用等三角形十五节点平面单元模拟土体。基坑内外计算宽度各取为50m，计算深度取地表以下35m。模型中水平向为X向，竖直向为Y向，且对X边界施加X向与Y向的位移约束，Y边界施加X向约束。有限元模型网格见图2。

图2 有限元模型网格

4.1.2 模型计算

选取北松公路方向作为典型剖面，对计算剖面简化分析，建立平面有限元模型进行数值模拟计算，对基坑开挖卸荷作用产生的变形进行预测分析。具体依据基坑施工开挖步骤，结合PLAXIS软件自身功能特性进行分步模拟及计算(见表3)。

表3 模型计算工况和计算内容

4.2 模型计算结果

根据PLAXIS有限元软件的计算结果，本项目基坑工程开挖方案在周边防汛设施管线的影响范围内产生的沉降量均小于规定允许值(10mm)，论证了设计方案满足对周边防汛设施保护的要求(见图3～图7、表4)。

表4 管线设施位移计算结果

图3 有限元模型网格

图4 DN300给水管水平向位移

图5 DN300给水管竖直向位移

图6 DN800污水管水平向位移

图7 DN800污水管竖直向位移

5 结 语

本文通过金颛工业园地下空间基坑开挖工程实例，应用PLAXIS 2D有限元分析软件模拟基坑开挖对周边防汛管线设施的影响，预测影响范围内管线设施的沉降量。通过计算可知，本工程通过加劲水泥土围护、设置两道支撑并利用结构底板换撑、坑前土体加固等措施可有效减少基坑开挖工程对周边防汛管线设施的影响，计算位移结果均满足规定允许值，该基坑围护方案满足基坑开挖对周边防汛管线设施的保护要求。因此，本文的相关研究对类似工程相关工作以及利用PLAXIS软件分析基坑开挖工程对周边防汛设施管线的影响具有一定的参考价值。