工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1657-1665   (2561 KB)    
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  • 收稿日期:2017-10-09
  • 收到修改稿日期:2018-03-14
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    豆红强
    王浩
    吴福宝
    席人双

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    豆红强, 王浩, 吴福宝, 等. 2018. 带多阳角的综合管廊垂直交叉节点深基坑的坑角效应分析[J]. 工程地质学报, 26(6): 1657-1665. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-473.
    DOU Hongqiang, WANG Hao, WU Fubao, et al. 2018. Corner effects of deep excavations with multi exposed corners in square crossing of utility tunnel[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1657-1665. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-473.

    带多阳角的综合管廊垂直交叉节点深基坑的坑角效应分析
    豆红强①②, 王浩①②, 吴福宝, 席人双    
    ① 福州大学环境与资源学院 福州 350116;
    ② 地质工程福建省高校工程研究中心 福州 350116;
    ③ 中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063
    摘要:坑角效应是基坑空间效应的重要体现形式之一,但目前对带多阳角深基坑的坑角效应还缺乏具体且深入的研究。以海南滨海软土地区两垂直相交的综合管廊狭长深基坑工程为依托,利用Plaxis 3D建立了两种典型施工模式下带多阳角的综合管廊交叉节点深基坑开挖的三维数值模型,对由开挖引起的地表沉降、支护结构变形以及支撑轴力等开展了细致的对比分析,并着重探讨了坑角效应对其分布形态的影响。计算结果表明:在两种典型施工模式下,综合管廊狭长深基坑的地表最大沉降变化区间约为0.11%He~0.67%He,且支护结构的最大侧向变形与开挖深度之间的上下限值分别为0.25% He、1.35%He。整体而言,在完全对称的施工模式Ⅱ下,基坑周围土体的地表最大沉降和支护结构的侧向变形均低于施工模式Ⅰ的计算结果;但在施工模式Ⅱ下,基坑开挖过程中在阳角的两个临空面方向均表现为显著的坑角效应,而在施工模式Ⅰ下,仅在阳角形成之后的单一方向上表现为明显的坑角效应。坑角效应的影响范围约为2倍的开挖深度,在坑角效应的影响范围内,基坑周围土体的地表沉降、支护结构的侧向变形以及支撑轴力均较坑角效应影响范围以外的计算结果显著降低。研究认为,若在带多阳角的综合管廊交叉节点处的深基坑设计中合理考虑坑角效应的影响范围及其发挥程度,可在一定程度上降低工程成本。
    关键词综合管廊    深基坑    多阳角    坑角效应    数值模拟    
    CORNER EFFECTS OF DEEP EXCAVATIONS WITH MULTI EXPOSED CORNERS IN SQUARE CROSSING OF UTILITY TUNNEL
    DOU Hongqiang①②, WANG Hao①②, WU Fubao, XI Renshuang    
    ① College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350116;
    ② Geological Engineering Research Center, Fujian Provincial University, Fuzhou 350116;
    ③ China Railway SiYuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063
    Abstract: The corner effect is one of the important forms of the spatial effect in deep excavations. However, the corner effects of the deep excavation with multi exposed corners have not been widely investigated and addressed in the previous literature. Based on the long and narrow deep excavation project of two square crossing of utility tunnels in a soft ground of Hainan, three dimensional numerical models of two typical construction programs are established using a commercial finite element software Plaxis 3D. Comparison and analysis of ground settlement caused by excavation, the deformation of the support structure, and the supporting axial force are performed. At the same time, the impacts of the corner effect on the distribution characteristics of these aforementioned studies are further discussed. The calculated results show that the maximum ground surface settlement of the long and narrow deep excavation for the utility tunnel varies between 0.11% He~0.67% He(He is excavation depth) under the two typical construction modes. The reasonable upper and lower bounds among the maximum lateral displacement of the steel sheet pile and excavation depth are 0.25% He and 1.35% He, respectively. On the whole, the maximum ground settlement of the soil around the excavation and lateral deformation of the supporting structure under the circumstance of construction program Ⅱ are lower than that in the condition of construction program Ⅰ. During the excavation process, it is worth noting that both two free surfaces of the exposed corner all have the remarkable corner effects under the circumstance of construction program Ⅱ, while the exposed corners in only one direction show the obvious corner effects under the circumstance of the construction program Ⅰ after their formation. The range of influence of the corner effects is approximately 2 times excavation depths. Within that range, the ground settlement, the deformation of the supporting structure and strut axial forces are all significantly lower than those in areas exceeding the coverage of the corner effects. The study suggests that if the influence of the corner effects and the degree of exertion are properly considered in the design of deep foundation pits with multi exposed corners at the intersections of utility tunnels, the project cost can be reduced to some extent.
    Key words: Utlity tunnel    Deep excavation    Multi exposed corners    Corner effects    Numerical simulation    

    0 引言

    综合管廊(Utility Tunnel)是指将两种以上的城市管线集中设置于同一人工空间中而形成的一种现代化、集约化的城市基础设施。由于其特有的综合性、环保性、可维护性、长效性以及高科技性等特点, 国务院先后印发了《国务院关于加强城市基础设施建设的意见》、《国务院办公厅关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》, 部署开展城市地下综合管廊建设工作。截止至今, 全国已有69个城市在建地下综合管廊约1000 km, 总投资约880亿元。

    综合管廊属典型的地下结构, 其施工过程必然涉及到基坑开挖。相较于一般基坑, 综合管廊基坑为狭长条形基坑, 当两条管廊垂直交叉时, 就会在交叉节点处形成带多个阳角的不规则深基坑。目前众多学者已针对带阳角的深基坑开展了大量研究, 如潘泓等(2008)针对复合土钉墙建立了三维数值模型, 藉此研究基坑阴角和阳角的变形特征; 马海龙等(2010)则基于采用加筋水泥土桩锚墙支护的深基坑监测数据, 分析了基坑阳角处的变形特征; 韩长玉等(2013)利用极限分析上限解理论分析了泥浆护壁作用下阳角处槽壁的稳定性; 崔高航等(2016)则探讨了冻胀环境下某桩锚支护深基坑阳角处深层水平位移的变化规律。但目前针对由两狭长管廊相交开挖在小范围内而形成带多阳角深基坑的变形特征的研究还鲜见开展。

    另一方面, 当基坑空间效应集中在坑角部位或基坑形状有突变的地方时, 这些部位的结构受力和开挖引起的结构变形均有别于基坑其他部位, 具体表现为基坑角隅附近土体和支护结构的位移较小, 而远离角隅处的位移较大, 此即为坑角效应, 其已被大量的工程监测和数值计算所证实。如Ou et al.(1996)着重研究了基坑尺寸对坑角效应范围及发挥程度的影响; 郑刚等(2012)李佳宇等(2013)则采用数值方法针对坑角效应对基坑临近建筑的影响开展了综合研究; Tan et al.(2014)收集了9个上海软土地区地铁狭长深基坑的监测数据, 藉此研究坑角效应对狭长深基坑变形的时空分布特征。显然, 当前针对基坑坑角效应的研究多针对常规基坑(基坑长宽比多局限于1.0~2.0), 对表现为狭长深基坑的研究也仅局限于地铁车站基坑, 而对具有显著狭长特性且带多阳角的综合管廊交叉节点深基坑的研究则仍未见涉及。

    为此, 本文以海南滨海软土地区两相交综合管廊狭长基坑为研究对象, 借助PLAXIS 3D有限元软件, 建立了两种典型施工模式下带多阳角综合管廊交叉节点深基坑开挖的三维数值模型, 对比分析并探讨了不同施工模式下基坑的力学响应及其坑角效应, 以期为类似带多阳角深基坑工程的设计与施工提供指导和参考。

    1 工程概况

    拟建城市综合管廊位于海南省国际旅游岛先行试验区, 线路全程为3000 m, 起讫里程桩号为K0+000~K3+000。拟建场区主要为滨海相湖积平原地貌区, 属海相积盆地地貌单元, 地势低洼, 地形开阔平坦、起伏变化小。场区内水系发达, 沟渠、水塘众多, 地下水埋深0.1~4.5 m, 地下水接受大气降水、潟湖潮汐水的渗透补给, 具有埋藏浅、水量丰富的特征。同时, 该场区地处海积粉细砂平原, 地层岩性复杂, 尤以粉细砂和软土具有代表性, 其中淤泥质粉质黏土层厚1.9~6.7 m, 属流塑, 高压缩性土, 工程性质差。其下地层分别为粉质黏土、砂质黏土、全风化花岗岩等物理力学性质较好岩土层。

    2 数值模型及计算参数

    结合综合管廊的断面尺寸和埋置深度, 选取工程中K1+200软土断面处的垂直交叉节点进行建模, 拟建基坑宽12 m, 深10 m, 采用钢板桩加钢管内支撑的支护体系。

    因地层结构大致平行可简化土层使地层平坦, 故可在PLAXIS 3D中用一个钻孔即可创建土层, 各土层厚度如图 1所示。充分考虑模型计算域的影响, 模型深度方向(Z轴)取值30 m, 长(X轴)和宽(Y轴)取值92 m, 综合管廊交叉节点基坑设置在模型中部。钢板桩在PLAXIS 3D中用板单元进行模拟, 10 m深基坑采用两道钢管内支撑分别位于- 2 m和- 6 m处, 钢管支撑采用锚杆单元。内支撑水平方向加设围檩, 采用梁单元进行模拟, 钢板桩两侧设置正负界面单元, 以模拟桩土接触, 距基坑边2 m处布置宽5 m大小为5 kPa的均布荷载, 以模拟施工荷载。

    图 1 数值计算模型 Fig. 1 Numerical model

    基坑开挖数值分析的精度在很大程度上取决于所采用的本构模型的实用性和合理性。硬化土模型(Harding soil)为非线性弹塑性模型, 模型不仅可以反映土体的非线性应力-应变关系, 还能反映岩土工程复杂的应力路径, 因此该模型尤其适合基坑工程的计算分析。根据前人的研究(王卫东等, 2012; 施有志等, 2016), HS模型中11个参数可由一般勘察报告中得到, 本文采用Es1-2=E50ref=Eoedref=3EurrefRinte r为桩土界面强度折减因子, 其定义为ci=Rintercsoil, tanφi=Rinte rtanφsoil, 其中, ci, φi为界面强度指标, csoil, φsoil为土体强度指标。结合勘察报告给出计算结果(表 1)。与此同时, 基坑支护体系的设计参数为:钢板桩采用型号PU600×130 mm, 截面面积131.2 cm2、惯性矩为13 000 cm4, 则相应的计算参数(表 2)。钢管内支撑水平间距4 m, 钢管支撑截面为609 mm×16 mm。内支撑水平方向加设围檩, 采用梁单元进行模拟, 计算参数(表 3)。

    表 1 土层计算参数 Table 1 Parameters of the soil layers

    表 2 三维钢板桩计算参数 Table 2 3D parameters of sheet pile wall

    表 3 围檩计算参数 Table 3 Parameters of the waling

    3 两种典型开挖-支护模式

    综合管廊基坑在交叉节点开挖模式及其先后顺序的不同, 会造成基坑的支护工序不同, 进而土体开挖卸荷造成的土体应力路径也有差异。为探讨由不同施工模式所产生的含多阳角深基坑的力学响应及其对应的坑角效应, 本文现比较两种典型的交叉节点基坑施工模式。模式Ⅰ:基坑在一个方向上先行开挖完成, 然后在另一方向开始施工, 基坑在交叉阶段处涉及到拆撑和拆除钢板桩的过程。模式Ⅱ:先开挖两管廊交叉节点段, 即先开挖交叉中心处基坑, 然后两边基坑同时开挖, 中心处支护体系同样进行拆除。其详细开挖工况(表 4)。

    表 4 两种施工模式 Table 4 Two typical construction programs

    4 计算结果及分析

    为详细对比分析两种不同施工模式下基坑地表沉降、支护结构的侧向变形及其坑角效应, 考虑不同施工模式下的分层、分段开挖和支撑的施加与拆除, 根据几何对称的三维数值模型, 选取如图 2所示的数据提取点与断面。其中, 断面CJ-1至CJ-4为垂直于Y轴的断面, 其值分别为Y=39, 30, 20, 10。相应的断面CJ-5至CJ-8为垂直于X轴的断面, 其值分别为X=39, 30, 20, 10。而点CX-1至CX-8(各点间距均为10 m)分别垂直XY平面为沿深度方向的钢板桩侧向位移提取点。

    图 2 计算数据提取点与断面(单位: m) Fig. 2 Points and sections of computed data extraction(unit: m)

    4.1 桩后地表沉降分析

    根据三维数值模型的计算结果, 图 3图 4分别给出了两种不同施工模式下的典型断面的地表沉降曲线。考虑到模式Ⅰ为先垂直X轴开挖, 而后再沿Y轴开挖, 其相当于单轴对称开挖; 而模式Ⅱ为先开挖交叉中心点, 后沿XY轴双向开挖, 其相当于完全对称开挖。因此, 选取了CJ-1和CJ-2两个典型断面的地表沉降值以开展对比分析。

    图 3 施工模式Ⅰ下的典型断面地表沉降曲线 Fig. 3 Ground settlement curves at typical sections for construction program Ⅰ a. CJ-1断面; b. CJ-2断面

    图 4 施工模式Ⅱ下的典型断面地表沉降曲线 Fig. 4 Ground settlement curves at typical sections for construction program Ⅱ a. CJ-1断面; b. CJ-2断面

    图 3图 4可以看出: (1)综合管廊狭长深基坑支护结构的地表沉降形态符合"凹槽型"曲线, 随着基坑开挖深度的增加, 地表沉降整体上随之增加, 且地表最大沉降值一般分布于距支护结构后6 m左右处; 与此同时, 在施工模式Ⅰ和Ⅱ下地表最大沉降的主要影响区域范围分别为0~2.0 He和0~1.6 He; (2)在施工模式Ⅰ下, 当垂直X轴的狭长基坑开挖完成后(工况Ⅰ5), 开始沿垂直Y轴的方向开挖时(工况Ⅰ7-Ⅰ9), 距综合管廊基坑交叉节点较近的CJ-1断面的地表最大沉降有减小趋势, 而当断面距基坑交叉节点距离较远时, 如CJ-2断面, 地表最大沉降又恢复一般规律, 即逐步随开挖深度的增加而增加, 但相应的增幅较小。这是由于垂直Y轴方向基坑的施工, 在交叉节点处形成4个阳角, 且阳角处支护结构与原来基坑的支护结构组合而成一个具有更大系统刚度的整体支护结构, 进而约束基坑阳角处的地表变形, 其恰恰体现了基坑的坑角效应; (3)对比两种施工模式可知, 由于模式Ⅱ为完全对称施工, 其地表最大沉降较模式Ⅰ显著降低, 尤其是断面CJ-1处的地表沉降值从54.2 mm骤降至31.2 mm。

    汇总图 2中断面CJ-1至CJ-8中不同开挖深度所对应的地表最大沉降值, 给出综合管廊基坑地表沉降最大值与开挖深度的关系(图 5)。其中, 图 5左幅中的"离散数据点"包含了工况Ⅰ3-Ⅰ5(垂直X轴开挖)与工况Ⅱ3-Ⅱ5(管廊交叉中心处开挖)下的地表沉降最大值, 右幅中则包含了工况Ⅰ7-Ⅰ9(垂直Y轴开挖)与工况Ⅱ7-Ⅱ9(基坑双向开挖)下的地表沉降最大值。由图可知, 该综合管廊基坑地表最大沉降值的变化范围为0.11%He~0.67%He(He为开挖深度), 平均值约为0.28%He。由于目前缺少可参考的综合管廊基坑变形数据, 因此借鉴同为狭长深基坑的地铁车站基坑的监测数据。相较于王卫东等(2011)庄海洋等(2016)黄钟晖等(2013)徐娜等(2016)以及Tan et al.(2014)针对上海地区和厦门地区狭长地铁深基坑的地表最大沉降与开挖深度的关系而言, 综合管廊狭长深基坑的地表最大沉降和开挖深度关系的上下限变化幅度更大, 且稍大于上述实测统计值的上限值。这可能是由于该综合管廊基坑为3级基坑, 其支护结构仅为简单的钢板桩和钢支撑, 而不似上述文献所涉及的地铁站点基坑多采用刚度大、整体性好的地下连续墙支护结构。

    图 5 地表最大沉降与开挖深度的关系 Fig. 5 Relationships between maximum ground settlement and excavation depth

    4.2 桩身侧向变形分析

    图 6图 7分别给出了两种不同施工模式下的典型测点CX-1和CX-2的钢板桩侧向变形曲线。由图可知: (1)随着基坑的逐步开挖, 钢板桩侧向变形逐渐增大。当开挖完成后, 钢板桩侧向位移沿深度的分布整体上表现为两头小中间大的"鱼肚型"形态, 且侧向变形最大值处于基坑最终开挖面附近。值得说明的是, 在施工模式Ⅱ的工况下, 测点CX-1处钢板桩底部的侧向变形有稍微增加, 这是由于采用PLAXIS 3D中的板单元模拟钢板桩双向施工时, 假定两个方向钢板桩的连接方式为刚接, 令其变形保持协调一致, 进而致使钢板抓底部发生翘曲, 表现为底部的侧向变形有所增加; (2)在施工模式Ⅰ的工况下, 点CX-1和CX-2处钢板桩的侧向变形趋势与数值基本相同, 表明钢板桩的侧向位移主要受其垂直方向基坑开挖的影响; 而在施工模式Ⅱ的工况下, 点CX-2处钢板桩的侧向变形较点CX-1处的值骤增10余倍。这是由于带多阳角综合管廊狭长基坑的坑角效应所引起的。在施工模式Ⅰ工况下, 交叉节点处4个基坑阳角形成于Y向基坑已开挖完毕之后, 而此时垂直X轴的管廊基坑钢板桩的侧向变形已完全开展, 由图 6a图 6b可以看出, 工况Ⅰ7-Ⅰ9所引发的钢板桩侧向变形几乎可忽略不计; 而对施工模式Ⅱ而言, 交叉节点处基坑4个阳角形成于中心基坑开挖完毕之后, 且随着阳角处整体支护体系的形成, 致使距阳角距离较小的CX-1点处的钢板桩侧向变形降低。同时由于基坑坑角效应的原因, 致使距基坑阳角距离较远的CX-2点处钢板桩的侧向变形又恢复到常规模式; (3)相较而言, 施工模式Ⅱ下的钢板桩侧向变形整体小于施工模式Ⅰ。

    图 6 施工模式Ⅰ下的典型位置钢板桩的侧向位移曲线 Fig. 6 Lateral deflections of steel sheet pile for construction program Ⅰ a. CX-1点; b. CX-2点

    图 7 施工模式Ⅱ下的典型位置钢板桩的侧向位移曲线 Fig. 7 Lateral deflections of steel sheet pile for construction program Ⅱ a. CX-1点; b. CX-2点

    综合图 3中CX-1至CX-8不同开挖深度所对应的钢板桩最大侧向变形, 藉此给出综合管廊狭长深基坑中支护结构的最大侧向变形与开挖深度之间关系(图 8)。由图 8可知, 在综合管廊交叉节点阳角处支护结构钢板桩的侧向位移远小于其他测点的变形值, 这恰恰体现了基坑坑角效应的作用。

    图 8 钢板桩最大侧向位移与开挖深度的关系 Fig. 8 Relationships between maximum deflections of steel sheet pile and excavation depth

    同时将基坑阳角处的测点数据予以剔除, 绘制出该综合管廊基坑支护结构的最大侧向变形与开挖深度之间的上下限值。从图 8中可以看出, 钢板桩最大侧向变形的变化范围为0.25%He~1.35%He(He为开挖深度), 平均值约为0.56%He。相较于徐中华等(2008)丁勇春等(2008)以及庄海洋等(2016)所统计的上海软土地基采用地下连续墙作为深基坑支护结构的一般深基坑的最大侧向变形的变化范围0.08%He~1.00%He而言, 该综合管廊深基坑支护结构侧向变形的值较高。

    4.3 基坑坑角效应的分析与讨论

    由上述分析可知, 由于施工模式的不同而致使综合管廊基坑各断面地表沉降和支护结构侧向变形也不尽相同, 尤其是受基坑坑角效应影响的距综合管廊基坑阳角距离较近的断面与测点。为更具体地探讨基坑坑角效应的发挥程度, 采用Ou et al.(1996)所提出的平面应变比(Plain strain ratio, PSR)来量化基坑坑角效应, 即在三维模拟条件下的土体或支护结构的最大位移与平面应变条件下土体或支护结构最大位移的比值, 其可用式(1)所示。

    $ PSR = \frac{{{{\left({{\delta _{h\max }}} \right)}_{{\rm{3D}}}}}}{{{{\left({{\delta _{h\max }}} \right)}_{{\rm{2D}}}}}} $ (1)

    式中, (δhmax)3D和(δhmax)2D分别为基于三维数值模型和平面应变条件下的二维数值模型计算所得的土体或支护结构的最大侧向变形。

    为此, 建立基于平面应变条件下的二维基坑开挖数值模型, 并计算确定其支护结构钢板桩的最大侧向变形(δhmax)2D约为85.0 mm; 同时(δhmax)3D即为图 6图 7中不同施工模式下特定工况下钢板桩的侧向变形。借助于式(1), 图 9即给出了综合管廊基坑不同阶段开挖完成后支护结构的平面应变比(PSR)与距阳角距离的变化曲线。从图 9中可以看出, 在施工模式Ⅰ的工况下, 当垂直X轴向开挖完成时, PSR一直在0.9与1之间浮动, 表明仅单向条形基坑的开挖而未形成基坑阳角, 且考虑到数值模型的对称性, 此时可忽略基坑的坑角效应, 可采用平面应变理论予以分析。而当垂直Y轴向也开挖完成后, PSR随距基坑阳角距离的增加而呈现先增大后维持稳定的趋势。值得注意的是, 在阳角近端, PSR的值仅为0.32, 表明阳角近端受坑角效应的影响显著。而在完全对称施工的模式Ⅱ下, PSR同样表现为先增大后维持稳定的趋势。

    图 9 钢板桩侧向位移的坑角效应 Fig. 9 Spatial effects of lateral deflection of steel sheet pile

    同时, 由图可知, 在基坑阳角形成之后, PSR沿远离阳角的方向迅速增大, 当距阳角在20 m(亦即2倍开挖深度)以上时, PSR值逐渐接近于1.0, 表明由基坑阳角所产生的坑角效应的影响范围约在2倍开挖深度内, 且受施工模式的影响不大, 这与Finno et al.(2007)基于150余个三维数值模型所得基坑坑角效应的影响范围基本一致。

    为更详细直观地分析综合管廊垂直交叉节点深基坑的坑角效应, 图 10分别给出了不同施工模式下基坑开挖完成后钢板桩的变形示意图。从图中可以看出, 施工模式Ⅰ由于先垂直于X轴开挖条形基坑, 钢板桩的变形沿开挖方向无明显变化; 而后随着垂直Y轴条形基坑的开挖, 在交叉节点处逐步形成4个阳角, 此时靠近阳角的钢板桩变形显著降低; 而对于完全对称的施工模式Ⅱ而言, 在交叉节点阳角附近处钢板桩的侧向变形沿阳角的两个临空方向均显著降低。这就说明坑角效应的发挥是在基坑阳角形成之后。

    图 10 不同施工模式下钢板桩的变形示意图(放大50倍) Fig. 10 Deformation of steel sheet pile at different construction program(50 times magnified) a.模式Ⅰ; b.模式Ⅱ

    另一方面, 基坑坑角效应是由于基坑角隅处的支护体系表现为更大的系统刚度, 从而约束角隅处土体的侧向变形, 进而致使支护体系的内力降低。图 11给出了施工模式Ⅱ下基坑开挖完成后的支撑轴力分布图。由图可知, 支撑轴力在基坑阳角附近较小, 并沿随距基坑阳角距离的增加而呈现先增大后维持稳定的趋势。其中值得注意的是, 阳角附近的第一级支撑轴力值约为882 kN, 较最大支撑轴力降低45%之多。因此, 若在基坑设计中合理考虑基坑坑角效应的作用, 且坑角处支护体系刚度有保证的前提下, 可适当减少支护体系以降低工程成本。但当支撑为等间距布置时, 综合管廊基坑阳角处的支撑轴力设计值必须大于不考虑坑角效应下的距阳角远端支撑轴力设计值的50%。

    图 11 施工模式Ⅱ支撑轴力分布 Fig. 11 Strut forces of construction program Ⅱ

    5 结论

    (1) 钢板桩后侧土体地表的最大沉降曲线表现为典型的"凹槽型", 且在施工模式Ⅰ和Ⅱ下地表最大沉降的主要影响区域范围分别为0~2.0 He和0~1.6 He; 整体而言, 综合管廊狭长深基坑的地表最大沉降变化区间约为0.11%He~0.67%He, 但完全对称施工的模式Ⅱ下的地表最大沉降相对较小。

    (2) 钢板桩侧向位移主要受其垂直方向基坑开挖的影响。受坑角效应的影响, 阳角附近钢板桩的侧向位移较阳角远端骤降, 但是一旦超过坑角效应的影响范围, 两种施工模式下钢板桩的侧向位移又恢复到典型的"鱼肚型"曲线, 且两者变形值基本相同。与此同时, 支护结构的最大侧向变形与开挖深度之间的上下限值为0.25%He~1.35%He

    (3) 平面应变比沿偏离基坑阳角的方向逐渐增大, 在距阳角2 He的距离后维持稳定, 亦表明该带多阳角综合管廊交叉点深基坑坑角效应的影响范围约为0~2 He; 在施工模式Ⅰ下, 坑角效应仅发生在阳角形成之后的单一方向。而在完全对称的施工模式Ⅱ下, 阳角的两个临空方向均表现为显著的坑角效应; 同时受坑角效应的影响, 近阳角端的支撑轴力远小于距阳角远端的支撑轴力。

    (4) 被广泛采用的平面应变模型难以模拟实际基坑开挖的力学行为及其坑角效应, 致使基坑支护体系的设计过于保守, 因此若在带多阳角的综合管廊交叉节点处的深基坑设计中合理考虑坑角效应的影响范围及其发挥程度, 可在一定程度上降低工程成本。

    参考文献
    Cui G H, Liu S H, Wang Z L, et al. 2016. On excavation monitoring of a pile anchor support deep pit under frost heaving condition in Harbin area[J]. Journal of Engineering Geology, 24(2): 331~338.
    Ding Y C, Wang J H, Xu Z H, et al. 2008. Deformation characteristics of deep excavations for metro stations in Shanghai soft soil deposits[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 42(11): 1871~1875.
    Finno R J, Blackburn J T, Roboski J F. 2007. Three-Dimensional Effects for Supported Excavations in Clay[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 133(1): 30~36.
    Han C Y, Chen J J, Wang J H, et al. 2013. Convex corner stability analysis of slurry trench[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 47(9): 1409~1412, 1418.
    Huang Z H, Yang L. 2013. Analysis of deformation monitoring data from deep excavation for guangxi university subway station[J]. Journal of Engineering Geology, 21(3): 459~463.
    Li J Y, Chen C. 2013. Response of settlement and displacement of adjacent buildings of excavations to corner effect[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 35(12): 2238~2246.
    Ma H L, Ge Z. 2010. Monitoring and analysis of foundation pit with braced structure of reinforced cement soil pile anchor wall[J]. China Civil Engineering Journal, 43(4): 105~112.
    Ou C Y, Chiou D C, Wu T S. 1996. Three-dimensional finite element analysis of deep excavations[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 122(5): 337~345. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9410(1996)122:5(337)
    Pan H, Zhou C F, Cao H. 2008. Analysis of spatial effect and deformation of corner of composite soil nailing walls[J]. Rock and Soil Mechanics, 29(2): 333~336.
    Shi Y Z, Lin S Z, Zhao H L. 2016. Soil's small strain parameters sensitivity analysis of metro deep foundation pit excavation effect in Xiamen area[J]. Journal of Engineering Geology, 24(6): 1294~1301.
    Tan Y, Wei B, Diao Y P, et al. 2014. Spatial corner effects of long and narrow multipropped deep excavations in Shanghai soft clay[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 28(4): 1~17.
    Wang W D, Wang H R, Xu Z H. 2012. Experimental study of parameters of hardening soil model for numerical analysis of excavations of foundation pits[J]. Rock and Soil Mechanics, 33(8): 2283~2290.
    Wang W D, Xu Z H, Wang J H. 2011. Statistical analysis of characteristics of ground surface settlement caused by deep excavations in Shanghai soft soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 33(11): 1659~1666.
    Xu N, Si X D, Hou Y, et al. 2016. Site monitoring analysis on construction deformation of long large deep foundation pit in coastal complex straum[J]. Journal of Engineering Geology, 24(5): 806~814.
    Xu Z H, Wang J H, Wang W D. 2008. Deformation behavior of diaphragm walls in deep excavations in Shanghai[J]. China Civil Engineering Journal, 41(8): 81~86.
    Yang Q X, Wu N, Chai P. 2017. Location optimization of the rectilinear center trajectory of urban utility tunnel[J]. China Civil Engineering Journal, 50(5): 123~128.
    Zheng G, Li Z W. 2012. Finite element analysis of adjacent building response to corner effect of excavation[J]. Journal of Tianjin University, 45(8): 688~699.
    Zhuang H Y, Zhang Y S, Xue X C, et al. 2016. Deformation characteristics of narrow-long deep foundation pit for subway station in soft ground and compared with existing statistical results[J]. Rock and Soil Mechanics, (S2): 561~570.
    崔高航, 刘守花, 王兆亮, 等. 2016. 冻胀环境下哈尔滨市某桩锚支护深基坑工程监测研究[J]. 工程地质学报, 24(2): 331~338.
    丁勇春, 王建华, 徐中华, 等. 2008. 上海软土地区地铁车站深基坑的变形特性[J]. 上海交通大学学报, 42(11): 1871~1875. DOI:10.3321/j.issn:1006-2467.2008.11.026
    韩长玉, 陈锦剑, 王建华, 等. 2013. 地下连续墙成槽过程中阳角处槽壁的稳定性分析[J]. 上海交通大学学报, 47(9): 1409~1412, 1418.
    黄钟晖, 杨磊. 2013. 广西大学地铁车站深基坑变形监测数据分析[J]. 工程地质学报, 21(3): 459~463. DOI:10.3969/j.issn.1004-9665.2013.03.018
    李佳宇, 陈晨. 2013. 坑角效应对基坑周围建筑物沉降变形影响的研究[J]. 岩土工程学报, 35(12): 2238~2246.
    马海龙, 戈铮. 2010. 加筋水泥土桩锚墙支护的基坑监测分析[J]. 土木工程学报, 43(4): 105~112.
    潘泓, 周陈发, 曹洪. 2008. 复合土钉墙的角部空间效应及变形性状分析[J]. 岩土力学, 29(2): 333~336. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2008.02.008
    施有志, 林树枝, 赵花丽. 2016. 地铁深基坑开挖效应土体小应变参数敏感性分析——以厦门地区为例[J]. 工程地质学报, 24(6): 1294~1301.
    王卫东, 王浩然, 徐中华. 2012. 基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J]. 岩土力学, 33(8): 2283~2290. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2012.08.008
    王卫东, 徐中华, 王建华. 2011. 上海地区深基坑周边地表变形性状实测统计分析[J]. 岩土工程学报, 33(11): 1659~1666.
    徐娜, 司晓东, 侯跃, 等. 2016. 滨海复杂地层长大深基坑施工变形实测分析[J]. 工程地质学报, 24(5): 806~814.
    徐中华, 王建华, 王卫东. 2008. 上海地区深基坑工程中地下连续墙的变形性状[J]. 土木工程学报, 41(8): 81~86.
    杨秋侠, 仵宁, 柴攀. 2017. 城市综合管廊线性定位优化[J]. 土木工程学报, 50(5): 123~128.
    郑刚, 李志伟. 2012. 坑角效应对基坑周边建筑物影响的有限元分析[J]. 天津大学学报, 45(8): 688~699.
    庄海洋, 张艳书, 薛栩超, 等. 2016. 深软场地地铁狭长深基坑变形特征实测与已有统计结果的对比分析[J]. 岩土力学, (S2): 561~570.
    Cui G H, Liu S H, Wang Z L, et al. 2016. On excavation monitoring of a pile anchor support deep pit under frost heaving condition in Harbin area[J]. Journal of Engineering Geology, 24(2): 331~338.
    Ding Y C, Wang J H, Xu Z H, et al. 2008. Deformation characteristics of deep excavations for metro stations in Shanghai soft soil deposits[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 42(11): 1871~1875.
    Finno R J, Blackburn J T, Roboski J F. 2007. Three-Dimensional Effects for Supported Excavations in Clay[J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering, 133(1): 30~36.
    Han C Y, Chen J J, Wang J H, et al. 2013. Convex corner stability analysis of slurry trench[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 47(9): 1409~1412, 1418.
    Huang Z H, Yang L. 2013. Analysis of deformation monitoring data from deep excavation for guangxi university subway station[J]. Journal of Engineering Geology, 21(3): 459~463.
    Li J Y, Chen C. 2013. Response of settlement and displacement of adjacent buildings of excavations to corner effect[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 35(12): 2238~2246.
    Ma H L, Ge Z. 2010. Monitoring and analysis of foundation pit with braced structure of reinforced cement soil pile anchor wall[J]. China Civil Engineering Journal, 43(4): 105~112.
    Ou C Y, Chiou D C, Wu T S. 1996. Three-dimensional finite element analysis of deep excavations[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 122(5): 337~345. DOI:10.1061/(ASCE)0733-9410(1996)122:5(337)
    Pan H, Zhou C F, Cao H. 2008. Analysis of spatial effect and deformation of corner of composite soil nailing walls[J]. Rock and Soil Mechanics, 29(2): 333~336.
    Shi Y Z, Lin S Z, Zhao H L. 2016. Soil's small strain parameters sensitivity analysis of metro deep foundation pit excavation effect in Xiamen area[J]. Journal of Engineering Geology, 24(6): 1294~1301.
    Tan Y, Wei B, Diao Y P, et al. 2014. Spatial corner effects of long and narrow multipropped deep excavations in Shanghai soft clay[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 28(4): 1~17.
    Wang W D, Wang H R, Xu Z H. 2012. Experimental study of parameters of hardening soil model for numerical analysis of excavations of foundation pits[J]. Rock and Soil Mechanics, 33(8): 2283~2290.
    Wang W D, Xu Z H, Wang J H. 2011. Statistical analysis of characteristics of ground surface settlement caused by deep excavations in Shanghai soft soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 33(11): 1659~1666.
    Xu N, Si X D, Hou Y, et al. 2016. Site monitoring analysis on construction deformation of long large deep foundation pit in coastal complex straum[J]. Journal of Engineering Geology, 24(5): 806~814.
    Xu Z H, Wang J H, Wang W D. 2008. Deformation behavior of diaphragm walls in deep excavations in Shanghai[J]. China Civil Engineering Journal, 41(8): 81~86.
    Yang Q X, Wu N, Chai P. 2017. Location optimization of the rectilinear center trajectory of urban utility tunnel[J]. China Civil Engineering Journal, 50(5): 123~128.
    Zheng G, Li Z W. 2012. Finite element analysis of adjacent building response to corner effect of excavation[J]. Journal of Tianjin University, 45(8): 688~699.
    Zhuang H Y, Zhang Y S, Xue X C, et al. 2016. Deformation characteristics of narrow-long deep foundation pit for subway station in soft ground and compared with existing statistical results[J]. Rock and Soil Mechanics, (S2): 561~570.
    崔高航, 刘守花, 王兆亮, 等. 2016. 冻胀环境下哈尔滨市某桩锚支护深基坑工程监测研究[J]. 工程地质学报, 24(2): 331~338.
    丁勇春, 王建华, 徐中华, 等. 2008. 上海软土地区地铁车站深基坑的变形特性[J]. 上海交通大学学报, 42(11): 1871~1875. DOI:10.3321/j.issn:1006-2467.2008.11.026
    韩长玉, 陈锦剑, 王建华, 等. 2013. 地下连续墙成槽过程中阳角处槽壁的稳定性分析[J]. 上海交通大学学报, 47(9): 1409~1412, 1418.
    黄钟晖, 杨磊. 2013. 广西大学地铁车站深基坑变形监测数据分析[J]. 工程地质学报, 21(3): 459~463. DOI:10.3969/j.issn.1004-9665.2013.03.018
    李佳宇, 陈晨. 2013. 坑角效应对基坑周围建筑物沉降变形影响的研究[J]. 岩土工程学报, 35(12): 2238~2246.
    马海龙, 戈铮. 2010. 加筋水泥土桩锚墙支护的基坑监测分析[J]. 土木工程学报, 43(4): 105~112.
    潘泓, 周陈发, 曹洪. 2008. 复合土钉墙的角部空间效应及变形性状分析[J]. 岩土力学, 29(2): 333~336. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2008.02.008
    施有志, 林树枝, 赵花丽. 2016. 地铁深基坑开挖效应土体小应变参数敏感性分析——以厦门地区为例[J]. 工程地质学报, 24(6): 1294~1301.
    王卫东, 王浩然, 徐中华. 2012. 基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数的试验研究[J]. 岩土力学, 33(8): 2283~2290. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2012.08.008
    王卫东, 徐中华, 王建华. 2011. 上海地区深基坑周边地表变形性状实测统计分析[J]. 岩土工程学报, 33(11): 1659~1666.
    徐娜, 司晓东, 侯跃, 等. 2016. 滨海复杂地层长大深基坑施工变形实测分析[J]. 工程地质学报, 24(5): 806~814.
    徐中华, 王建华, 王卫东. 2008. 上海地区深基坑工程中地下连续墙的变形性状[J]. 土木工程学报, 41(8): 81~86.
    杨秋侠, 仵宁, 柴攀. 2017. 城市综合管廊线性定位优化[J]. 土木工程学报, 50(5): 123~128.
    郑刚, 李志伟. 2012. 坑角效应对基坑周边建筑物影响的有限元分析[J]. 天津大学学报, 45(8): 688~699.
    庄海洋, 张艳书, 薛栩超, 等. 2016. 深软场地地铁狭长深基坑变形特征实测与已有统计结果的对比分析[J]. 岩土力学, (S2): 561~570.