基于MIDAS的基坑開挖對(duì)鄰近地下管線的影響分析

李振龍，汪東林，吳劍平，劉 昊

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

隨著社會(huì)的發(fā)展、城市的建設(shè)，高層建筑大量出現(xiàn)，城市地下空間不斷受到重視并得到開發(fā)[1]。因此大量基坑工程開始出現(xiàn)在城市的各個(gè)地方，而城市環(huán)境復(fù)雜、地下管線眾多，基坑開挖通常會(huì)引起地下管線變形，對(duì)人民的正常生產(chǎn)生活造成影響，因此受到越來(lái)越多的關(guān)注[2]?；娱_挖會(huì)讓土體喪失原有的平衡狀態(tài)，導(dǎo)致鄰近地下管線出現(xiàn)變形、開裂和位移等現(xiàn)象，影響地下管線的穩(wěn)定性[3]。

近年來(lái)，大量學(xué)者在基坑開挖對(duì)周邊地下管線的影響方面進(jìn)行了研究[4]。關(guān)永平研究了地鐵開挖對(duì)管線豎向位移的影響[5]；張陳蓉基于位移控制理論，提出了基坑開挖對(duì)管線保護(hù)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)[6]；王成華利用有限元軟件研究了基坑開挖對(duì)地下管線的變形影響，對(duì)管道進(jìn)一步的研究提供了參考和依據(jù)[7]；王洪德對(duì)幾種影響基坑鄰近管線位移的因素進(jìn)行了研究分析[8]。

參考合肥市某基坑開挖工程實(shí)例，利用有限元軟件MIDAS GTS NX建立模型，對(duì)基坑開挖對(duì)地下管線的影響進(jìn)行模擬分析，從管線埋距、管線埋深、地連墻厚度以及不同彈性模量地連墻4個(gè)方面研究基坑開挖對(duì)鄰近地下管線的影響。

1 工程概況

該工程基坑長(zhǎng)30 m，寬20 m，開挖深度10 m，支護(hù)體系為0.8 m厚的地下連續(xù)墻和3道內(nèi)支撐，其中地下連續(xù)墻高13 m，第1道支撐是700 mm×800 mm的混凝土支撐，第2、3道支撐為直徑609 mm(t=16)的鋼支撐；該基坑工程附近有多條地下管線。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本假定

地下管線及各支護(hù)材料均采用彈性本構(gòu)模型，各層土體分布均勻，接觸面假定為水平狀，視為彈塑性介質(zhì)，采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，劃分為4層。探討其中一個(gè)因素影響時(shí)，其他條件保持不變。分析過(guò)程僅考慮基坑開挖過(guò)程中的影響，不考慮基坑降水。管道始終與土體緊密接觸，不發(fā)生脫離。

2.2 模型建立

根據(jù)基坑與地下管線的位置關(guān)系，建立三維有限元模型。本基坑開挖工程中基坑尺寸為30 m×20 m×10 m，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)并查閱資料，基坑開挖過(guò)程中對(duì)基坑周圍土體的影響約為開挖深度的2～4倍[9]，因需要考慮到基坑鄰近管線，故計(jì)算模型尺寸為160 m×160 m×30 m，具體如圖1所示。模型網(wǎng)格劃分完成后應(yīng)設(shè)置模型邊界條件，因分析過(guò)程中不考慮基坑降水，所以僅對(duì)模型整體施加重力荷載。根據(jù)地勘報(bào)告可知土體分為4層，模型范圍內(nèi)土體自上而下為雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。土體參數(shù)如表1所示；結(jié)構(gòu)材料采用彈性模型，結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2所示。

圖1 基坑模型

表1 土體參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.3 施工階段模擬

本次模擬主要研究基坑開挖過(guò)程中對(duì)地下管線的影響，因此對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)分析和地下管線施工后進(jìn)行位移清零?；娱_挖分3步進(jìn)行，開挖的土體厚度分別為3、3、4 m。施工階段分7步進(jìn)行，具體步驟如表3所示。

表3 施工階段步驟

3 模擬結(jié)果分析

由于基坑幾何模型關(guān)于Y=80 m對(duì)稱，因此，本文只取沿管線方向(即Y軸)的0～80 m范圍內(nèi)進(jìn)行研究。管線一般埋置在地表以下1.5～4.5 m處[10]，本文主要對(duì)地下埋深3 m的管線進(jìn)行分析。

3.1 距基坑不同埋距的影響

選取直徑為600 mm、壁厚為60 mm的混凝土管線，距地面3 m埋深，其他條件相同時(shí)，分析距基坑分別為10、15、20、25、30 m條件下管線水平和豎向位移情況。地下管線的水平位移結(jié)果如圖2所示，豎向位移結(jié)果如圖3所示。

圖2 不同埋距下管線水平位移

由圖2可以看出，曲線的變化趨勢(shì)相似，管線的最大水平位移受距基坑遠(yuǎn)近的影響，管線埋距的增加會(huì)減少管線最大水平位移，在基坑開挖中心處(Y=80 m)水平位移達(dá)到最大值，圖中在距基坑10 m埋距處出現(xiàn)最大水平位移，最大水平位移為15.2 mm。埋距為15、20、25、30 m處水平位移分別為13.8、11.5、9.05、6.78 mm。

由圖3可以看出，管線的豎向位移規(guī)律基本一致，管線的豎向位移跟埋距成反比，距基坑埋距越小，管線豎向位移越大，圖中最大豎向位移出現(xiàn)在距埋距10 m處，最大豎向位移為16.8 mm。埋距為15、20、25、30 m處豎向位移分別為11、6.69、3.83、2.16 mm。

圖3 不同埋距下管線豎向位移

3.2 不同埋深的影響

選取直徑為600 mm、壁厚為60 mm的混凝土管線，在10 m埋距，其他條件相同的情況下，分析埋深分別為1、3、5、7、9 m條件下管線的水平和豎向位移情況。地下管線的水平位移結(jié)果如圖4所示，豎向位移結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同埋深下管線水平位移

圖5 不同埋深下管線豎向位移

由圖4可知曲線的變化趨勢(shì)相似，埋深的增大會(huì)減小管線水平位移，在基坑中部(Y=80 m)管線水平位移達(dá)到最大，圖中最大水平位移出現(xiàn)在最靠近地表1 m埋深處，最大水平位移為16.5 mm。埋深3、5、7、9 m處最大水平位移分別為15.2、14.7、13.9、12.9 mm。由圖5可以看出，埋深對(duì)管線的豎向位移影響較大，但最大位移的波動(dòng)幅度受埋深影響較小，豎向位移在埋深處于0～5 m之間時(shí)，隨埋深的增大而增大，超過(guò)5 m范圍后，最大豎向位移會(huì)隨著管線埋深的增加而逐漸變小，圖中最大豎向位移出現(xiàn)在基坑開挖深度1/2處即埋深5 m處，最大豎向位移為16.9 mm。埋距1、3、7、9 m處最大豎向位移分別為16.7、16.8、16.6、15.6 mm。

3.3 不同地連墻厚度的影響

選取直徑為600 mm、壁厚為60 mm的混凝土管線，在10 m埋距、3 m埋深，其他條件相同的情況下，分析地連墻厚度為0.6、0.8、1、1.2、1.4 m條件下的管線位移情況。地下管線的水平位移如圖6所示，豎向位移如圖7所示。

圖6 不同地連墻厚度下管線水平位移

圖7 不同地連墻厚度下管線豎向位移

由圖6可以看出，曲線的變化趨勢(shì)相似，管線的水平位移隨著地連墻厚度的增大而增大，在基坑中部(Y=80 m)水平位移達(dá)到最大值。圖中最大水平位移出現(xiàn)在地連墻厚度1.4 m處，最大水平位移為23.3 mm。地連墻厚度0.6、0.8、1.0、1.2處最大水平位移分別為12.7、15.2、17.7、20.4 mm。由圖7可以看出，地連墻厚度越大，管線豎向位移越大，圖中在地連墻厚度為1.4 m處有最大豎向位移，最大值為31.7 mm。地連墻厚度依次為0.6、0.8、1.0、1.2 m時(shí)最大位移分別為12.1、16.8、21.6、26.6 mm。

3.4 不同彈性模量地連墻的影響

選取直徑為600 mm、壁厚為60 mm的混凝土管線，在10 m埋距、3 m埋深、地連墻厚度為0.8 m，其他條件相同的情況下，分析地連墻彈性模量為10、20、30、40 GPa條件下管線的位移情況。地下管線的水平位移如圖8所示，豎向位移如圖9所示。

圖8 不同彈性模量下管線水平位移

圖9 不同彈性模量下管線豎向位移

由圖8可以看出，管線的水平位移跟地連墻彈性模量成反比，彈性模量越小，管線水平位移越大，在基坑中部(Y=80 m)位移達(dá)到最大值。圖中最大水平位移出現(xiàn)在地連墻彈性模量為10 GPa處，最大水平位移為16.3 mm。彈性模量為20、30、40 GPa處最大水平位移分別為15.6、15.2、14.8 mm。由圖9可以看出，管線的豎向位移跟彈性模量成反比，彈性模量越小，管線豎向位移越大，圖中最大豎向位移出現(xiàn)在地連墻彈性模量為10 GPa處，最大豎向位移為22.1 mm。彈性模量超過(guò)20 GPa后，對(duì)管線的豎向位移影響極小。彈性模量為20、30、40 GPa處最小豎向位移分別為16.8、16.8、16.7 mm。

4 結(jié)論

1) 管線的位移受距離基坑遠(yuǎn)近的因素影響較大。距離基坑越遠(yuǎn)，管線產(chǎn)生的變形量越小，且豎向位移的波動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于水平位移的波動(dòng)幅度。

2) 管線的水平位移和豎向位移均受管線距地表埋深的因素影響。水平位移隨著深度的增加而不斷減小，但波動(dòng)幅度較??；隨著埋置深度的持續(xù)增加，豎向位移先增加再減小。

3) 管線的位移受地連墻厚度影響較大，與地連墻厚度成正比，隨厚度的增大而增大。

4) 管線的位移受地連墻彈性模量影響較小，隨著彈性模量減小，管線的位移逐漸增大。

5) 從管線的位移變化規(guī)律可知，管線位移變化趨勢(shì)相似，在基坑中心位置處管線受到的位移影響最大，且豎向位移比水平位移大，因此在考慮管線防護(hù)時(shí)，不僅要考慮管線水平位移，也要考慮豎向位移，二者需要同步考慮。