深基坑開挖對(duì)周圍管線變形的影響研究

李 杰

(中鐵十八局集團(tuán) 北京工程有限公司，北京 100162 )

目前，已有許多學(xué)者針對(duì)基坑開挖展開研究。姜崢[1]針對(duì)基坑開挖對(duì)鄰近管線變形進(jìn)行了理論計(jì)算推導(dǎo)。姚燕明等[2]根據(jù)殘余應(yīng)力法原理和分層回彈總和法計(jì)算了基坑開挖對(duì)管線變形的變形影響。馬銀閣等[3]采用MIDAS 軟件針對(duì)深基坑開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。吳崢[4]以杭州市污水管段工程為背景，采用ABAQUS 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了三維有限元模型，研究了基坑開挖對(duì)下臥管線的不利影響。郜新軍等[5]為了研究基坑開挖對(duì)鄰近地下管線的變形影響，建立三維實(shí)體數(shù)值模型分析了變化規(guī)律。蔡浩明[6]采用PLAXIS 3D有限元軟件對(duì)富水地層的深基坑降水施工對(duì)周圍管線的影響建立數(shù)值模型，并實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證模型的合理性。王立峰等[7]收集多個(gè)實(shí)際地鐵施工案例的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度分析了基坑開挖對(duì)周邊管線的影響。以上研究表明，較多的研究集中在理論推導(dǎo)和數(shù)值建模分析上，理論推導(dǎo)和數(shù)值建模都進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化，雖然具有一定的指導(dǎo)意義，但是準(zhǔn)確性仍需進(jìn)一步檢驗(yàn)。本研究基于實(shí)際基坑開挖項(xiàng)目對(duì)周邊管線進(jìn)行了豎向變形監(jiān)測(cè)，分析了不同周邊管線的沉降變化規(guī)律，為類似深基坑開挖項(xiàng)目提供指導(dǎo)。

1 項(xiàng)目概況

工程周邊為市政路，北側(cè)為河流。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地形有一定起伏，西北較高，東南較低，自然地面標(biāo)高為21.21～23.80 m，基坑設(shè)計(jì)標(biāo)高按照整平后的地面標(biāo)高23.00～23.50 m考慮。工程深基坑平均深度為16.19 m，局部開挖深度達(dá)23.09 m。該深基坑支護(hù)體系作為臨時(shí)支護(hù)的設(shè)計(jì)使用期限為12個(gè)月；基坑安全等級(jí)設(shè)定一級(jí)，重要性系數(shù)為γ0=1.1，其支護(hù)體系設(shè)計(jì)形式為“上部2.0 m擋土墻+護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿”。護(hù)坡樁的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度范圍為21～25 m，把3～5道預(yù)應(yīng)力錨桿布置設(shè)計(jì)在護(hù)坡樁之間。

2 深基坑四周管線沉降監(jiān)測(cè)

為了研究基坑開挖對(duì)周邊管線的變形影響，對(duì)周邊管線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其總體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置和局部放大區(qū)域如圖1所示，其中，分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置在第3部分中給出。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置及局部放大圖

2.1 設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

通過(guò)鉆具成孔的方式設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，詳細(xì)步驟為：(1)開挖深度不小于3 m、半徑約為40 mm的孔洞；(2)將孔洞的底部夯實(shí)；(3)清理廢渣土，同時(shí)向孔洞內(nèi)注入適量水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；(4)灌入標(biāo)號(hào)大于等于C20的混凝土，并震動(dòng)使之密實(shí)，并且使混凝土頂面距地表保持在5 cm左右；(5)在孔中心置入長(zhǎng)度大于等于80 cm的鋼筋標(biāo)志，露出混凝土面1～2 cm；(6)上部加裝鋼制保護(hù)蓋；(7)甚少養(yǎng)護(hù)半個(gè)月時(shí)間。如圖2所示。

圖2 地表觀監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)形式圖(mm)

2.2 監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)采集

采用幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，借助TrimbleDINI03電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)，另外通過(guò)該儀器自帶記錄程序?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。根據(jù)《工程測(cè)量規(guī)范》(GB50026-2007)[8]，通過(guò)二等豎向位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)手段進(jìn)行全面地詳細(xì)觀測(cè)，詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)和細(xì)則詳見(jiàn)該《規(guī)范》中的表10.3.3。

表1 LogNormal 參數(shù)擬合結(jié)果

3 相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果及技術(shù)分析

首先將所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，出現(xiàn)明顯監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤的監(jiān)測(cè)點(diǎn)不用于分析，如G5監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。同時(shí)鑒于篇幅有限，只分析兩個(gè)方向(基坑的西側(cè)和南側(cè))的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，總共有14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中位于基坑南側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有8個(gè)，分別是G3、G4、G6、G7、G8、G9、G11和G10；位于基坑西側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有6個(gè)，分別為G14、G15、G16、G17、G20和G21。對(duì)于基坑南側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其開挖深度如圖4所示，周圍管線離基坑距離依次變遠(yuǎn)且東西分布的分別有燃?xì)夤芫€(G6、G9和G10)和直徑1 m的污水管線(G3、G7、G8和G11)，其中，G4屬于更遠(yuǎn)處的南北分布的燃?xì)夤芫€的一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。對(duì)于基坑西側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其開挖深度如圖5所示，周圍管線離基坑距離依次變遠(yuǎn)且南北分布的分別有2. 6 m×2.9 m的電力管溝(G15和G17)、燃?xì)夤芫€(G14和G16)、直徑1 m的雨水管線(G21)和直徑1.4 m的雨水管線(G21)。

圖3 G5監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間下的高程值

圖6 基坑西側(cè)開挖深度

3.1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降分析

根據(jù)14個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間的沉降變化，分析各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變化差異。圖5可見(jiàn)，在基坑開挖的前段時(shí)間，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量是逐漸增加的，只是沉降量值的大小不同。當(dāng)開挖1個(gè)月左右時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量出現(xiàn)波動(dòng)，之后的10 d左右時(shí)間內(nèi)，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)累計(jì)沉降量減小的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)周邊管線處有凸起的情況，很有可能是由于開挖到一定深度，預(yù)應(yīng)力錨桿等支護(hù)措施使地基土受到擠壓造成的，這種情況對(duì)周邊管線是有利的。在此之后，除個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量出現(xiàn)增加或減小的情況，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量呈現(xiàn)一定的增加并幾乎趨于穩(wěn)定。在所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，位于基坑西側(cè)燃?xì)夤艿捞幍腉16監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量最大，位于基坑南側(cè)直徑1 m的污水管線處的G11監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量最小。

其次，從圖7可見(jiàn)，當(dāng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量處于平穩(wěn)緩慢波動(dòng)時(shí)，5個(gè)黑色虛線框內(nèi)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)分別類似，其中細(xì)節(jié)分析見(jiàn)下文。

圖7 相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量

3.2 同一管線的沉降變化

直徑為1 m的污水管線和燃?xì)夤芫€上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量如圖8所示。圖8(a)中，兩條管線都是中間位置沉降量大，兩側(cè)沉降量小。圖8(b)中，兩條周邊管線的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量大的均離中軸線更近，也說(shuō)明了中間位置沉降量大，兩側(cè)沉降量小的規(guī)律。直徑為1 m的污水管線上的G3監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于管線一側(cè)，但是該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量較大，幾乎接近中間位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量，這對(duì)于管線是十分不利的。出現(xiàn)這種情況的主要原因可能是G3監(jiān)測(cè)點(diǎn)相較于其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)離基坑更近造成的。燃?xì)夤芫€的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)大約位于中軸線的一側(cè)，G6監(jiān)測(cè)點(diǎn)離中軸線最近，但是G6監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量比G9監(jiān)測(cè)點(diǎn)小，主要是G6監(jiān)測(cè)點(diǎn)處基坑的開挖深度12.82 m，而其他兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的基坑開挖深度是7.72 m，充分說(shuō)明開挖深度的大小對(duì)周邊管線具有較大影響。因此，在進(jìn)行深基坑作業(yè)時(shí)，特別是較近處存在周邊管線時(shí)，要對(duì)中間部位進(jìn)行加固處理，比如采用注漿加固、微型樁法及注漿法與微型樁法相結(jié)合等方法。此外，在同一工作面存在不同開挖深度時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行加固處理，如果處理不當(dāng)，會(huì)造成由于地基土釋放不同的應(yīng)力而出現(xiàn)較大應(yīng)力失衡，使周邊管線出現(xiàn)不規(guī)則沉降，導(dǎo)致較大的工程事故或經(jīng)濟(jì)損失。

圖8 同一管線沉降變化圖

3.3 距離對(duì)管線沉降的影響

基坑南側(cè)和西側(cè)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降數(shù)據(jù)如圖9所示。從圖9(a)可以看出，G4監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有最小的累計(jì)沉降量，主要是因?yàn)镚4監(jiān)測(cè)點(diǎn)沒(méi)有位于周邊管線處，而是比基坑南側(cè)研究中最遠(yuǎn)管線(直徑為1 m的污水管線)還要多出一定距離，這是十分合理的現(xiàn)象。同時(shí)還可以看出，G7和G8監(jiān)測(cè)點(diǎn)(兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于直徑為1 m的污水管線)的累計(jì)沉降量分別大于G6和G9監(jiān)測(cè)點(diǎn)(兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均位于燃?xì)夤芫€)，然而G6和G9監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別比G7和G8離基坑的距離更近，這看起來(lái)有悖常識(shí)。但是出現(xiàn)這種情況也是可解釋的，首先G7和G8監(jiān)測(cè)點(diǎn)與G6和G9監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間存在一條2.8 m×2.0 m的雨水管溝，該管溝十分靠近G7和G8監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的直徑為1 m的污水管線，使這兩條管線可能出現(xiàn)了耦合沉降變形。其次，在基坑開挖適合擬采用了“上部2.0 m擋土墻+護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿”的支護(hù)體系，由于預(yù)應(yīng)力的存在抑制了距基坑較近管線的沉降趨勢(shì)，說(shuō)明當(dāng)有周邊管線必然與基坑具有較近距離時(shí)可以通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力錨桿的方式解決沉降量大的問(wèn)題。最后，可能因?yàn)橄噍^于燃?xì)夤芫€，污水管線和雨水管溝都較重，施工導(dǎo)致附近出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，與質(zhì)量輕的管線相比，質(zhì)量大的管線會(huì)有較大的響應(yīng)，從而導(dǎo)致沉降量較大。

圖9 管線隨距離的沉降變化圖

從圖9(b)可以看出，G14和G16監(jiān)測(cè)點(diǎn)(兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于燃?xì)夤艿?的累計(jì)乘降量分別大于G15和G17監(jiān)測(cè)點(diǎn)(兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于2.6 m×2.9 m的電力2管溝)，進(jìn)一步說(shuō)明了“上部2.0 m擋土墻+護(hù)坡樁+預(yù)應(yīng)力錨桿”支護(hù)體系對(duì)距離基坑較近的周邊管線沉降具有較強(qiáng)的抑制作用。然而，監(jiān)測(cè)點(diǎn)21(位于直徑為1 m的雨水管線)的累計(jì)沉降量大于監(jiān)測(cè)點(diǎn)20(直徑為1.4 m的管線)并且兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均和基坑具有相對(duì)較遠(yuǎn)的距離，同時(shí)相較于監(jiān)測(cè)點(diǎn)21，監(jiān)測(cè)點(diǎn)20與基坑具有更遠(yuǎn)的距離，這是最普遍的情形。

3.4 沉降量依時(shí)變化

為了將監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間的變化進(jìn)行公式顯式化，針對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，嘗試多種擬合方式進(jìn)行擬合，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，LogNormal擬合最為符合沉降量走勢(shì)，除個(gè)別特殊情況(累積沉降量出現(xiàn)較大減小)外，其擬合的確定系數(shù)R2均大于0.96，具有很高的精度，LogNormal擬合函數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示。從公式本身來(lái)看，LogNormal擬合函數(shù)最終會(huì)收斂成一個(gè)定值，這與周邊管線沉降在基坑開挖完畢后會(huì)趨于穩(wěn)定的規(guī)律是吻合的，說(shuō)明了該函數(shù)在進(jìn)行擬合周邊管線隨時(shí)間的沉降變化具有很高的預(yù)測(cè)精度的原因。

(1)

鑒于篇幅有限，僅列舉了4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的繪圖和擬合結(jié)果，其中，實(shí)測(cè)值和LogNormal 擬合值對(duì)比圖如圖10所示，參數(shù)擬合結(jié)果如表1所示。從圖10可以看出，實(shí)測(cè)值和LogNormal擬合值具有很好的吻合度，其最終的沉降變量趨于穩(wěn)定。從表1可以看出，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的LogNormal 參數(shù)擬合結(jié)果中，xc幾乎相等并且w也很相近近乎為0。在調(diào)整擬合結(jié)果的參數(shù)中，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)s0和A是不同的，其中參數(shù)A值的變化范圍明顯較大，并且遠(yuǎn)大于參數(shù)s0(值自身及變化量均較小)，說(shuō)明參數(shù)A調(diào)整程度要大于參數(shù)s0。在后續(xù)研究中，測(cè)試不同工況下的沉降變化，著重分析參數(shù)A和參數(shù)s0的變化規(guī)律，對(duì)于周邊管線沉降變化的公式化具有重要意義。

圖10 實(shí)測(cè)值和LogNormal 擬合值對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)當(dāng)基坑開挖到1個(gè)月左右時(shí)，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降量出現(xiàn)減小趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)周邊管線處有凸起的情況，很有可能是由于采用預(yù)應(yīng)力錨桿等支護(hù)措施使地基土受到擠壓造成的，這種情況對(duì)周邊管線是有利的。(2)通常同一管線都是越靠近中軸線的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量越大，離中軸線越遠(yuǎn)沉降量越?。坏怯捎谕还ぷ髅娲嬖诓煌_挖深度及同一管線與基坑具有不同距離時(shí)，極易造成周邊管線的不規(guī)則沉降，應(yīng)采用相應(yīng)的加固措施，如注漿加固、微型樁法及注漿法與微型樁法相結(jié)合等方法。(3)普遍情況下，距離基坑越遠(yuǎn)的管線具有較小的沉降量，但是當(dāng)兩條或多條管線十分靠近時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常的耦合沉降變形；當(dāng)支護(hù)體系中存在預(yù)應(yīng)力錨桿時(shí)，由于預(yù)應(yīng)力的存在可以抑制距基坑較近管線的沉降趨勢(shì)。(4)利用多種擬合方式對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量隨時(shí)間的變化進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)LogNormal擬合最為符合沉降量走勢(shì)，其擬合的確定系數(shù)R2均大于0.96，具有很高的精度。