砂卵石地區(qū)深基坑開挖對地下管線的影響研究★

龍志偉 胡啟軍 劉俊新 劉 軍

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010;2.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川成都 610500)

0 引言

基坑開挖打破了土體的初始平衡狀態(tài)，使周邊土體產(chǎn)生水平和豎直方向的位移，土體位移的改變又產(chǎn)生了相應(yīng)的土壓力，進而使埋設(shè)在其中的管道上的應(yīng)力發(fā)生變化。作用在管道上的應(yīng)力，按其作用方向可分為徑向、環(huán)向和縱向應(yīng)力［1］，當(dāng)作用在管道上的應(yīng)力大于其容許應(yīng)力時，管道將發(fā)生破壞。

管道的附加應(yīng)力是導(dǎo)致管道破壞的內(nèi)在原因，而影響管道附加應(yīng)力的因素很多。賈洪斌［2］、胡冬［3］分析了基坑分步開挖、開挖尺寸、不同管徑、埋深、管材種類、管線周圍土體的土質(zhì)、管線距離基坑遠近及支撐剛度等因素對管線的影響。

基坑變形是引起地下管線破壞的主要誘因。而支護結(jié)構(gòu)又對控制基坑變形起著至關(guān)重要的作用，因此本文將從支護結(jié)構(gòu)本身討論有關(guān)參數(shù)的變化對鄰近管線的影響規(guī)律。

1 計算模型及參數(shù)

本文選取成都地區(qū)典型的樁錨支護結(jié)構(gòu)體系深基坑作為模擬的對象，基坑開挖深度為26.9 m。查閱相關(guān)文獻可知，基坑開挖對周圍土層的影響范圍一般為3倍～5倍開挖深度。計算模型尺寸為196.5 m×50 m×108 m。共劃分29 950個單元，33 410個節(jié)點。模型上表面為自由邊界，底面固定，四周約束其法向位移。

地下管線平行于基坑開挖面布置，取管道外徑1 m，壁厚50 mm，采用混凝土管，取彈性模量和泊松比分別為25 GPa，0.1，ρ=2 500 kg/m3，采用實體單元模擬。

支護樁采用Pile單元模擬，E=30 GPa，υ=0.2;錨索用Cable單元模擬。

計算中基礎(chǔ)采用彈性本構(gòu)模型，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，土體參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理參數(shù)

2 管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)

GB 50299-1999廣州地區(qū)建筑基坑支護技術(shù)規(guī)定［4］規(guī)定采用承插式接頭的鑄鐵水管、鋼筋混凝土水管兩個接頭之間的局部傾斜值應(yīng)≤0.002 5;采用焊接接頭的水管的兩個接頭之間的局部傾斜值應(yīng)≤0.006;采用焊接接頭的煤氣管兩個接頭之間的局部傾斜值應(yīng)≤0.002。同時，張國亮［8］指出上述管線的絕對沉降值不應(yīng)大于30 mm。

上海市政部門規(guī)定煤氣管線的允許水平位移為10 mm～15 mm。

根據(jù)《地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范》［5］《城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范》［6］及《石油天然氣工業(yè)套管和油管的維護及使用》［7］，并結(jié)合位移速率作為共同監(jiān)測管理標(biāo)準(zhǔn)，另外根據(jù)施工影響范圍內(nèi)的管線分布情況，煤氣管線的變形、沉降或水平位移不應(yīng)大于10 mm，位移速率不應(yīng)大于2 mm/d;自來水管線的變形、沉降或水平位移不應(yīng)大于20 mm;位移速率不應(yīng)大于5 mm/d。

任強［9］研究指出各種管線(煤氣管、上水管、下水管)的允許不均勻沉降值為1‰L，L為管線的分節(jié)長度。

綜合以上研究資料和相關(guān)規(guī)范規(guī)程，為保證地下管線的安全，同時，基于安全、方便、經(jīng)濟適用的原則，通過對已有資料的分析，現(xiàn)以管線變形控制為基礎(chǔ)制定出管線的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3 不同因素對道路變形特性分析

3.1 樁徑對管線變形特性的影響

圖1，圖2為不同樁徑的深基坑開挖時地下管線的水平和豎向位移曲線圖。由圖可知，地下管線的水平位移變化規(guī)律比較復(fù)雜，并不單一的隨樁徑的增大而變大。當(dāng)樁徑在0.6 m～1.0 m內(nèi)時，水平位移隨樁徑的增大而變大，而當(dāng)樁徑大于1.2 m時，位移反而減小。同時，由圖可知，管線的豎向位移也呈現(xiàn)類似的規(guī)律，分析其原因這可能與基坑開挖引起的地表變形有關(guān)，地表的變形不僅表現(xiàn)為隆起，而且還表現(xiàn)為沉降，在不同的區(qū)域有著不同的變化規(guī)律，所以其變化規(guī)律比較復(fù)雜［1］。

此外，由計算結(jié)果可知，當(dāng)樁徑為1.0 m時，地下管線的變形最大，水平位移為19.2 mm，豎向位移為16.3 mm，其變形值皆小于管線的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，不會導(dǎo)致管線破壞。當(dāng)樁徑為1.2 m時，其變形出現(xiàn)拐點，因此，綜合考慮安全和經(jīng)濟等因素，在進行砂卵石地區(qū)深基坑支護設(shè)計的時候，選取1.2 m左右的支護樁是比較合適的。

3.2 樁間距對管線變形特性的影響

圖3，圖4為不同樁間距的深基坑開挖時地下管線的水平和豎向位移曲線圖。由圖可以看出，地下管線的水平位移隨樁間距的增大而變小。這是因為樁間距越大，支護結(jié)構(gòu)剛度越小，其對基坑的支護作用就越小，因此，當(dāng)基坑開挖時，管線位移方向逐步朝向基坑內(nèi)側(cè)。同時，由管線的豎向位移變形曲線可知，其豎向位移隨樁間距的增大而增大，且當(dāng)樁間距為3.0 m時，地下管線的豎向位移顯著增大。因此在基坑設(shè)計時，為保證基坑和地下管線的安全，樁間距應(yīng)小于3.0 m，且根據(jù)基坑設(shè)計規(guī)范要求，最大樁間距應(yīng)小于2倍樁徑。

圖1 地下管線水平位移曲線（一）

圖2 地下管線豎向位移曲線（一）

圖3 地下管線水平位移曲線（二）

圖4 地下管線豎向位移曲線（二）

3.3 錨索排數(shù)對管線變形特性的影響

圖5，圖6為采用不同排數(shù)錨索的深基坑開挖時地下管線的水平和豎向位移曲線圖。由圖可以看出，隨著錨索排數(shù)的減少，地下管線水平位移逐漸減小，豎向位移逐漸增大。當(dāng)錨索排數(shù)為7排時，地下管線的最大水平位移為18.6 mm，最大豎向位移為15.7 mm;當(dāng)錨索排數(shù)為5排、6排時，管線最大水平位移分別為9 mm，12.8 mm。最大豎向位移分別為 16.7 mm，15.9 mm，都小于管線的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，不會導(dǎo)致管線破壞。然而，隨著錨索排數(shù)的減少，錨索對基坑的總錨固力減少，使基坑趨于不穩(wěn)定。因此，為保證基坑和鄰近管線的安全，在經(jīng)濟允許的條件下，應(yīng)適當(dāng)增加錨索的排數(shù)。

圖5 地下管線水平位移曲線（三）

圖6 地下管線豎向位移曲線（三）

3.4 錨索長度對管線變形特性的影響

圖7，圖8為錨索長度不同時地下管線的水平和豎向位移曲線圖。由圖可知，隨著錨索的增長，管線水平位移逐漸增大，這是因為錨索越長與土體相互粘結(jié)形成的錨固力就越大，管線逐漸朝背離基坑開挖方向運動。同時，由管線的豎向位移變形曲線可知，管線豎向位移隨錨索的增長而逐漸減少。這是由于錨索越長，錨固力越大，能有效的抑制由于基坑的隆起。從而使管線的豎向位移減小。

圖7 地下管線水平位移曲線（四）

圖8 地下管線豎向位移曲線（四）

此外，由計算結(jié)果可知，當(dāng)錨索長度為16 m，18 m，20 m，22 m，24 m，26 m 時，最大水平位移分別為 10.6 mm，15.3 mm，16.9 mm，19 mm，19.9 mm，21.9 mm，最大豎向位移分別為20 mm，18.8 mm，18.2 mm，16.3 mm，15.7 mm，15.2 mm，局部傾斜值皆小于0.002 5，不會對管線產(chǎn)生損害。另外，由計算結(jié)果可知，當(dāng)錨索增加到一定長度時，錨索長度的增加對于減少對鄰近管線的影響，作用不太明顯。因此，在進行砂卵石地區(qū)的基坑設(shè)計時，錨索長度滿足承載力和規(guī)范要求即可，一味增加錨索長度并不經(jīng)濟。

4 結(jié)語

本文以砂卵石地區(qū)典型的樁錨支護結(jié)構(gòu)體系超深基坑為例，研究了不同因素作用下深基坑開挖對地下管線變形特性的影響。得到以下結(jié)論:1)地下管線的水平位移和豎向位移并不單一的隨樁徑的增大而變大。當(dāng)樁徑在0.6 m～1.0 m內(nèi)時，水平位移隨樁徑的增大而變大，而當(dāng)樁徑大于1.2 m時，位移反而減小。當(dāng)樁徑為1.0 m時，地下管線的變形最大但其變形值皆小于管線的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，不會導(dǎo)致管線破壞。另外當(dāng)樁徑為1.2 m時，其變形出現(xiàn)拐點，因此，綜合考慮安全和經(jīng)濟等因素，在砂卵石地區(qū)進行深基坑支護設(shè)計時，選取1.2 m左右的支護樁是比較合適的。2)地下管線的水平位移隨樁間距的增大而變小。其豎向位移隨樁間距的增大而增大，且當(dāng)樁間距為3.0 m時，地下管線的豎向位移顯著增大。因此在基坑設(shè)計時，為保證基坑和地下管線的安全，樁間距應(yīng)小于3.0 m，且根據(jù)基坑設(shè)計規(guī)范要求，最大樁間距應(yīng)小于2倍樁徑。3)隨著錨索排數(shù)的減少，地下管線水平位移逐漸減小，豎向位移逐漸增大。其變形值都小于管線的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，不會導(dǎo)致管線破壞。然而，隨著錨索排數(shù)的減少，錨索對基坑的總錨固力減少，基坑趨于不穩(wěn)定。因此，為保證基坑和鄰近管線的安全，在經(jīng)濟允許的條件下，應(yīng)適當(dāng)增加錨索的排數(shù)。4)隨著錨索的增長，管線水平位移逐漸增大，豎向位移逐漸減少。當(dāng)錨索增加到一定長度時，錨索長度的增加對于減少對鄰近管線的影響，作用不太明顯。因此，在進行砂卵石地區(qū)的基坑設(shè)計時，錨索長度滿足承載力和規(guī)范要求即可，一味增加錨索長度并不經(jīng)濟。

［1］秦 昊.地鐵車站基坑開挖對鄰近地下管線的影響研究［D］.上海：同濟大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.

［2］賈洪斌.深基坑開挖對周圍地埋管線的影響分析［D］.上海：同濟大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

［3］胡 冬.深基坑開挖對周圍地下管線變形影響的有限元分析［D］.南京：南京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［4］GB 50299-1999，廣州地區(qū)建筑基坑支護技術(shù)規(guī)定［S］.

［5］GB 50299-1999，地下鐵道施工及驗收規(guī)范［S］.

［6］GB 50289-98，城市工程管線綜合規(guī)劃規(guī)范［S］.

［7］GB/T 17745-2011，石油天然氣工業(yè)套管和油管的維護與使用［S］.

［8］張國亮.緊鄰既有線地鐵車站深基坑工程穩(wěn)定與變形特性研究［D］.長沙：中南大學(xué)博士學(xué)位論文，2012.

［9］任 強.北京地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險評價與控制技術(shù)研究［D］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2010.