基坑開挖對鄰近管道影響數(shù)值分析

彭偉

昆明軌道交通集團有限公司，昆明 650011)

1 前言

隨著城市的發(fā)展，城鎮(zhèn)人口的急劇膨脹，人口增長率遠高于用地增長率，如今城鎮(zhèn)的地上空間越來越匱乏，隨處可見的擁擠。所以地下空間的開發(fā)與地下設施的建設刻不容緩。當前，城鎮(zhèn)的建設發(fā)展與地下空間的開發(fā)是緊密聯(lián)系的，城鎮(zhèn)地下空間的開發(fā)不可避免要涉及到基坑開挖，故此，基坑工程逐步往“近、深、大、緊”的特點發(fā)展，其規(guī)模與難度一直在不斷增大。城鎮(zhèn)的基坑在施工開挖不可避免的控制因素便為鄰近管道，在確?；邮┕さ陌踩耘c經(jīng)濟性的同時，也要保證附近密集的管道的安全，管道的破裂將影響居民生活與工作，給社會造成不良影響和巨大經(jīng)濟損失。因此需控制基坑開挖過程中對管道造成的不良影響。O’Rourke[1]根據(jù)土體開挖引起的地層位移分布情況，提出了管-土相互作用模型。后又采用三維有限元模擬了淺溝槽開挖對鄰近的鑄鐵管線的影響，當管線與周圍土體之間不產(chǎn)生相對位移時，可以不考慮施工對管線的影響[2]。李大勇等人[3]利用Winkler彈性地基梁理論，建立受基坑開挖影響的地下管線豎向位移與水平位移方程。2003年，李大勇等人[4]采用三維有限元法，順利求解出受基坑開挖導致的地下管線位移與內(nèi)力。王磊等人[5]采用有限元建立相鄰基坑開挖對地下管線影響模型，也得到較好的分析結果。劉金龍[6]等采用FLAC3D分析基坑開挖對鄰近不同管徑管線的影響，為工程做出指導。趙文等[7]結合實際項目，對工程中地下管線變形和受力狀態(tài)進行了實測研究，并結合管道材料試驗結果認為該工程的施工不會對地下管線造成安全影響。張培森[8]采用數(shù)值分析方法針對在地鐵較遠距離處的深基坑開挖對地鐵變形的影響進行分析。楊慶光等[9]采用FLAC3D建立三維數(shù)值模型，考慮不同的夾角和開挖深度，對管線穩(wěn)定性具有重要影響的管線豎向位移、豎向應力、軸力問題展開研究。徐宏增等[10]運用有限元軟件PLAXIS建立三維數(shù)值模型，探討不同圍護結構形式下的基坑開挖對鄰近大直徑污水管線的影響規(guī)律。上述研究對基坑開挖與管道的影響具有一定的參考意義，但是基坑具有地域性，針對復雜的基坑項目，需要針對性的研究分析。

本文利用MIDAS GTS NX建立完整的深基坑三維數(shù)值模型，模擬基坑開挖過程中支護結構、土體與管道的相互變形作用。

2 工程概況

某基坑項目位于昆明市主市區(qū)，項目周邊布設有地下管道與多棟居民樓，并鄰近交通主干道，周邊地質環(huán)境復雜，需要嚴格控制基坑工程開挖引發(fā)的周邊建筑物沉降與變形，整個基坑工程安全等級為一級，環(huán)境保護要求高。基坑長42 m、寬27 m，深度為10 m，支護結構采用φ600 mm的鉆孔灌注樁，長度為18 m，樁間距為800 mm，布設有兩道混凝土內(nèi)支撐，冠梁截面為1 200 mm×1 000 mm，支撐梁截面為1 000 mm×800 mm。并且地下水位長期在地下1.2～1.6 m深度，為避免降水排水導致的對周邊建筑物的沉降影響，本項目設計有φ500 mm@250的三軸止水帷幕，確保了對地下水的有效控制。

本次研究選取離基坑項目最近的兩根管道，分別為距離坑邊距為6 m的φ1 200 mm的通信電纜與坑邊距為9 mφ1 200 mm給水排水一體管道?？紤]管道的重要性，需要對管道進行監(jiān)測與分析。本文采用E=3×ES[11]進行土體模擬分析，項目土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)

3 建立數(shù)值模型

研究基坑開挖對鄰近管道的影響，需建立數(shù)值模型體系包括基坑支護結構、基坑周邊土體及鄰近管道，并且需采用適宜的巖土本構模型對基坑項目進行精確模擬計算。

采用MIDAS GTS NX軟件模擬，計算基本假定為：

(1) 計算域內(nèi)土體為各向同性的均質土體，土體采用修正摩爾庫倫本構。

(2) 設立有止水帷幕與其他降排水措施，故模型不考慮地下水作用。

(3) 圍護結構采用線彈性模型，對撐、立柱采用1D單元，管道采用3D單元，管道參數(shù)見表2。

表2 地下管線參數(shù)表

建立計算模型，基坑開挖影響范圍為開挖深度的2～4倍，因此設置模型長度120 m、寬度77 m、深度36 m，符合模型影響范圍。模型四周邊界設置位移約束，底部設置固定約束，并施加自重，還原實際情況。有限元模型如圖1、圖2所示。

圖1 計算模型示意圖

圖2 模型剖面示意圖

4 數(shù)值模擬分析

基坑開挖對鄰近管線的影響一直是一項困擾設計人員的難題，其影響的因素不僅僅是基坑開挖的方式和基坑大小，還包括管道的直徑類型、管道直徑與管道距離基坑距離。若想用傳統(tǒng)理論分析計算計算量巨大，并且因為土體的特殊性，其應力-應變關系難以把控，因為采用有限元手段，通過軟件模擬，能有效分析基坑開挖對鄰近管線的受力與變形，故此采用MIDAS GTS NX軟件模擬基坑情況，并進行數(shù)值計算。

4.1 基坑開挖分析

模型參數(shù)采用表1與表2數(shù)據(jù)，基坑開挖嚴格按照開挖深度逐層開挖：第一層按照45度角放坡，深度1.0 m，施加混凝土護坡施工；第二層開挖深度0.5 m，施加第一道內(nèi)撐；第三層開挖2.5 m；第四層開挖0.5 m，施加第二道內(nèi)撐；第五層開挖2.5 m；第六層開挖2.5 m至開挖坑底。模擬方案參照實際施工，模型施工步驟共有7步，第一步為初始地應力平衡，控制模型初始位移[13]。模擬施工步驟都有相應的構件激活與邊界條件，在此便不一一贅述。計算云圖如圖3所示。

圖3 基坑開挖模型云圖

通過數(shù)值模擬分析(圖4、圖5)，隨著基坑開挖深度的增加，管道水平位移逐漸增大，并且管道在越靠近基坑的部位位移越大，說明基坑開挖造成管道位移影響較大。距離基坑6 m處的電纜管道與距坑邊9 m的給水排水管道位移不同，電纜管道最大位移18.60 mm，給水排水管道最大位移18.87 mm，由數(shù)據(jù)表明距離坑邊距越遠的管道位移越大。但不可忽視的一點，電纜管道其材質不同于給水排水管道，是否材質的因素造成位移的差異，需進一步詳細分析。

圖4 管線位移與實測對比圖

圖5 管線管身距基坑中部位移圖

4.2 管道變形因素分析

影響地下管線變形因素很多，例如：基坑開挖方案、管道自身材質、基坑大小、管道埋深、管道直徑、管道距離基坑距離等等，本次研究基于實際基坑項目，因此基坑開挖方案與基坑大小等，基坑因素不再考慮。故在不變的基坑方案下，詳細分析管道材質、管道直徑與管道距離坑邊距3個因素。

4.2.1 管道材質

根據(jù)上文顯示，電纜管道位移小于給水排水管道，但是兩個管道材質不同，不便于分析。因此本次選取兩根管道選取相同材質分析，管道材質如表3。管道直徑與坑邊距按照上文情況不變。

表3 管道材料參數(shù)

通過圖6分析可以發(fā)現(xiàn)，無論是何種材料的情況下，電纜管道的位移都大于給水排水的管道位移。以電纜管道為例分析，鋼制位移最大5.23 mm，混凝土制19.63 mm，鋼制位移明顯小于混凝土制。其主要原因為鋼管的彈性模量大，抵抗變形能力強，其受基坑開挖影響最小，混凝土制管道位移也相對較小，并且在兩種材料情況下，水平位移隨著基坑開挖影響變化不大。位移最大的為PVC管，其彈性模量最小，并且隨著基坑開挖，其位移變化值較大，說明PVC與土體的變形協(xié)調(diào)能力強。故此可說明，管道材質越好，彈性強度越大，越不容易變形，與土體的協(xié)調(diào)能力越差。

圖6 管道材料對管道水平位移影響

4.2.2 管道直徑

根據(jù)上文顯示，材料剛度越大，管道越不容易變形。管道直徑也是影響管線位移的重要因素，因此采用不同直徑的管道，研究不同直徑情況下，基坑開挖對鄰近管道的影響。僅選取電纜管道，其材質選用混凝土，管道位置與實際情況相同，其余不變。

通過圖7分析可以發(fā)現(xiàn)，采用混凝土材料，由于材料剛度大，水平位移隨著基坑開挖影響變化不大。但是在直徑由0.5 m逐步增大至3 m時，其位移是逐漸減小，特別在直徑1.5 m變?yōu)? m后，位移控制最好。故此可說明，管道采用混凝土材質時，直徑為2 m時，管道位移變形最小。

圖7 管道直徑對管道水平位移影響

4.2.3 管道坑邊距

由4.2.1可知，在相同材質與直徑的情況下，距離坑邊距為6 m的電纜管道位移大于坑邊距為9 m的給水排水管道，因此在此基礎上詳細研究管線距離基坑的距離影響，分別選取電纜管道距坑邊距d為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m與30 m的情況分析，材質選取混凝土材質，其余不變。

由圖8表明，當坑邊距為5 m時，管道最大位移為22.15 mm，最小位移為18.59 mm。當坑邊距增大時，如坑邊距為30 m時，管道最大位移為6.68 mm，最小位移為5.16 mm。由數(shù)據(jù)表明，管道距離基坑距離不同，基坑開挖對其影響也不同，管線距離基坑距離越遠，其影響程度越低。同時由數(shù)據(jù)表明，當距離大于25 m，即2.5H(H為基坑開挖深度)時，基坑開挖對管線影響不明顯，因此在條件允許的情況下，盡量使得管道在離基坑大于2.5H處，這種情況下，基坑開挖對管道影響較小。

圖8 管道坑邊距對管道水平位移影響

5 結論

(1) 基坑開挖對鄰近管道影響較大，管道管身離基坑越近處，其位移越大，管道容易破壞，因此故該處需特別留意，在該處多監(jiān)測其位移情況，并在基坑開挖過程中對其做特殊保護。

(2) 管道材料在管道變形因素中起重要作用，材料剛度越大，材料抵抗變形能力越強，基坑開挖對管道影響越小。

(3) 管道直徑同樣控制著管道變形，管道直徑越大，抵抗變形能力越強，在直徑達到2 m時，其控制變形效益最好。

(4) 管線距離基坑距離越近，基坑開挖對管道影響越大，當距離在2.5H(H為基坑開挖深度)時，管線位移趨于穩(wěn)定，因此在條件允許的情況下，盡量控制管線的坑邊距在2.5H以上，能有效保證管線安全。

(5) 土體具有區(qū)域性，由于本文基于昆明實際工程情況分析，因此研究結果存在一定的局限性，可為昆明地區(qū)類似工程項目提供參考。

(6) 地下管線受基坑開挖的影響因素眾多，本文篇幅有限，未能對所有影響因素逐一分析，會在今后的研究中繼續(xù)補充與完善。