深基坑開挖對鄰近地下管線影響研究

胡潮鋼，章暉，葉武

（1.杭州市臨安區(qū)青山湖建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 311122;3.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

高層建筑基礎(chǔ)施工、地下交通、地下綜合體、地下市政設(shè)施、地下綜合管廊等工程，均需要進(jìn)行基坑的開挖，且常常為深大基坑[1]?；娱_挖導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放，失去原有應(yīng)力平衡，會對周邊地上、地下的建筑物的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響[2-4]。其中，基坑開挖導(dǎo)致周邊地下管線的破壞的問題不容忽視?；娱_挖導(dǎo)致土體應(yīng)力平衡被破壞，使管線應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生附件應(yīng)力，同時(shí)由于管線與土體的不均勻沉降產(chǎn)生二次附件應(yīng)力，可能會導(dǎo)致管線發(fā)生破裂[5]。鄰近地下管線進(jìn)行深基坑的設(shè)計(jì)施工時(shí)，需要深入分析開挖對管線變形的影響，確保管線的安全穩(wěn)定性。

本文依托杭州臨安新橫路、陳市路及城市客廳工程中的鄰近高檔住宅小區(qū)擋土墻外地下管線的深基坑工程，采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，建立“地上土體-地下土地-管線-基坑圍護(hù)墻-圍護(hù)支撐”系統(tǒng)模型，模擬基坑分層開挖及支護(hù)過程，分析基坑開挖及支護(hù)對鄰近管線的變形影響規(guī)律，提出管線穩(wěn)定性控制措施，確保把基坑開挖對管線的影響控制在合理范圍內(nèi)。研究對指導(dǎo)基坑設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工具有重要意義。

1 工程概況

新橫路北起科技大道，南至102省道，全長3.50 km，包含地面道路和湖底隧道，為城市主干道。其中湖底隧道下穿青山湖湖底，為雙向六車道規(guī)模，全長1575 m（圖1）。隧道采用明挖順作法施工，在隧道線路范圍內(nèi)存在一個(gè)高檔住宅小區(qū)，小區(qū)外圍擋土墻與隧道基坑間存在多條管線（圖2）?；佑绊懛秶鷥?nèi)荷載呈不對稱狀態(tài)，基坑開挖可能會導(dǎo)致管線產(chǎn)生較大變形或不均勻沉降，導(dǎo)致管線發(fā)生失穩(wěn)或破壞，需要對管線采取嚴(yán)格的監(jiān)測和保護(hù)措施。

圖1 工程平面圖

圖2 基坑與地上擋土墻位置關(guān)系圖

隧道采用明挖順作法施工，隧道側(cè)穿越住宅小區(qū)區(qū)域采用“鉆孔灌注樁+止水帷幕”圍護(hù)，內(nèi)支撐擬采用“鋼筋混凝土+鋼支撐”形成?；诱w開挖深度 2.0～15.5 m、寬度 27.1～28.4 m?；又饕┰剿靥钔?、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖等地層。主要土層劃分及土體參數(shù)如下：

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為了研究深基坑開挖對鄰近管線的影響，需要建立“地上土體-地下土地-管線-基坑圍護(hù)墻-圍護(hù)支撐”系統(tǒng)模型?；娱_挖深度取10 m，寬度取25 m，采用分步開挖方式。根據(jù)已有的有限元研究結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)，基坑深度方向受開挖影響的范圍約為開挖深度的2～4倍，寬度方向的影響范圍約為基坑開挖深度的3～4倍[6]。因此模型尺寸設(shè)定為：80 m×20 m×36 m（圖3）。其中，長度設(shè)為80 m，高度設(shè)為36 m（其中6 m為地上部分，30 m為地下部分），寬度設(shè)為20 m。管道位于基坑靠近地上擋土墻一側(cè)，埋深為3 m，直徑取1 m，厚度取0.1 m。由于本研究側(cè)重于基坑開挖對管線的影響，采用分區(qū)的方式賦予地上擋土墻的材料參數(shù)，而不考慮其與土體的相互作用關(guān)系。為便于模型計(jì)算，根據(jù)抗彎剛度相等的原則，將基坑“鉆孔灌注+止水帷幕”簡化成為等剛度的連續(xù)墻，高14 m（深入坑底以下4 m）。設(shè)置兩條管線，相距2 m。采用摩爾庫倫材料模型描述土體的力學(xué)和變形行為，主要模型參數(shù)見表1。模型邊界條件：四個(gè)側(cè)面均只約束法向位移，底面對三個(gè)方向位移均進(jìn)行約束，頂面為自由面。

圖3 土層-管線-基坑模型圖

土層劃分及其相關(guān)物理力學(xué)參數(shù) 表1

為研究管線不同材質(zhì)對其變形特性，考慮PVC、混凝土和鋼材等三種不同材質(zhì)的關(guān)系。擋土墻、管線和支撐均用彈性本構(gòu)模型來模擬，各部件參數(shù)如表2。

各部件參數(shù)表 表2

2.2 開挖及支護(hù)方案設(shè)置

深基坑共分為四步進(jìn)行土方開挖，開挖推進(jìn)10m。設(shè)置三道支撐，采用“先撐后挖”方法。分析步設(shè)置如表3。

基坑開挖及支護(hù)分析步設(shè)置 表3

3 結(jié)果分析

在管道頂端布置一條沿管道長度方向的監(jiān)測線，獲取基坑各步開挖后管線的垂直變形。管線1靠近基坑一側(cè)，管線2遠(yuǎn)離基坑一側(cè)。

3.1 混凝土管線變形

首先分析不同開挖深度下管線位移情況，圖4是基坑一道支撐時(shí)分別開挖4 m、7 m和10 m時(shí)兩條混凝土管線的位移曲線。圖4a是管線1位移曲線，由圖可以明顯看到，靠近基坑開挖區(qū)域的管線沉降明顯比遠(yuǎn)離開挖區(qū)域的大。以開挖4 m為例，靠近基坑開挖區(qū)域管線端部的沉降最大，為20.26 mm；遠(yuǎn)離基坑開挖區(qū)域管線端部的沉降最小，為17.50mm：沉降差為2.76 mm。隨著基坑開挖深度增加，管線位移不斷增加?；娱_挖10 m時(shí)，靠近基坑開挖區(qū)域管線端部的沉降為35.84 mm；遠(yuǎn)離端為32.2 mm：沉降差為 3.64 mm。圖 4b是管線2位移曲線，由圖可見，管線2垂直位移明顯低于管線1，這是由于管線2遠(yuǎn)離基坑?？芍汗芫€越靠近基坑，其位移受基坑開挖影響越大，施工中越應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。圖5是基坑兩道支撐時(shí)管線（圖5a-管線1；圖5b-管線2）位移曲線，由圖可見，當(dāng)基坑增加一道支撐時(shí)，管線沉降明顯減小?；娱_挖10 m時(shí)，管線1靠近基坑開挖區(qū)域管線端部的沉降為2 31.11 mm；遠(yuǎn)離端部沉降為27 mm?；芫€2靠近基坑開挖區(qū)域管線端部沉降為19.51 mm；遠(yuǎn)離端為16.06 mm。圖6是基坑三道支撐時(shí)管線（圖6a-管線1；圖6b-管線2）位移曲線，由圖可見，當(dāng)基坑施加時(shí)，管線沉降明顯減小。

圖4 基坑一道支撐時(shí)不同開挖深度下混凝土管線垂直位移：管線1（a）；管線2（b）

圖5 基坑兩道支撐時(shí)不同開挖深度下混凝土管線垂直位移：管線1（a）；管線2（b）

圖6 基坑三道支撐時(shí)不同開挖深度下混凝土管線垂直位移：管線1（a）；管線2（b）

由以上結(jié)果可知，基坑支撐數(shù)量增加能夠有效地控制土體變形，從而減小管線沉降。

3.2 鋼管線變形

圖7為當(dāng)管線為鋼管時(shí)、基坑三道支撐/開挖10m管線位移圖。管線1靠近基坑外邊緣位置發(fā)生最大沉降，24.3 mm;遠(yuǎn)離基坑一端發(fā)生最小沉降，20.01mm。管線2最大沉降為19.0 mm，最小沉降為15.3mm。由上述分析已知，當(dāng)管線為混凝土管時(shí)，管線1最大沉降為25.1 mm，管線2最大沉降為19.6 mm。當(dāng)管線由混凝土管變?yōu)殇摴軙r(shí)：管線1最大沉降減小0.8 mm，減小幅度 3.19%；管線 2 最大沉降減小 0.6 mm,減小幅度3.06%。可知，當(dāng)管線彈性模量變大時(shí)，基坑開挖引發(fā)的沉降會有一定程度減小。

圖7 基坑三道支撐時(shí)不同開挖深度下鋼管線垂直位移

3.3 PVC管線變形

圖8為當(dāng)管線為PVC時(shí)、基坑三道支撐開挖10 m管線位移圖。管線1最大沉降為 26.8 mm，最小沉降為 22.6 mm。管線2最大沉降為20.8 mm，最小沉降為17.2 mm。相比混凝土管線1最大沉降為25.1 mm，管線2最大沉降為19.6 mm。PVC管線1最大沉降增大1.7 mm，增大幅度6.77%；管線2最大沉降增大 1.2 mm,增大幅度 6.12%?？芍?dāng)管線彈性模量變小時(shí)，基坑開挖引發(fā)的管線沉降會有很大程度增大?；娱_挖時(shí)尤其要加強(qiáng)PVC等彈性模量較小管線的監(jiān)測和防護(hù)。

圖8 基坑三道支撐時(shí)不同開挖深度下PVC管線垂直位移

4 結(jié)論

針對深基坑開挖對鄰近地下管線的影響，采用ABAQUS有限元軟件建立了“地上土體-地下土地-管線-基坑圍護(hù)墻-圍護(hù)支撐”的系統(tǒng)模型，研究了基坑圍護(hù)不同支撐措施下管線隨基坑開挖的變形規(guī)律，具體結(jié)論如下：

①基坑開挖導(dǎo)致土體應(yīng)力釋放，使土體發(fā)生變形，使管線受到附加應(yīng)力作用而發(fā)生沉降變形，基坑開挖深度越大，管線沉降越大，管線靠近基坑開挖區(qū)域的管線沉降明顯比遠(yuǎn)離開挖區(qū)域的沉降要大；

②基坑支撐對管線變形有著顯著影響，隨著基坑圍護(hù)墻支撐數(shù)量和強(qiáng)度的增加，其對周圍土體的變形抑制越強(qiáng)，管線沉降就越小，及時(shí)對基坑進(jìn)行支撐可有效地降低基坑開挖對周邊管線的影響；

③在同樣的基坑開挖條件下，不同種類管線的變形不同，主要由其彈性模量控制。基坑開挖時(shí)尤其要加強(qiáng)PVC等彈性模量較小管線的監(jiān)測和防護(hù)。