深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地下管線(xiàn)影響的安全評(píng)價(jià)

王有林，許曉霞，陳 楠

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;2.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心，西安 710065)

深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地下管線(xiàn)影響的安全評(píng)價(jià)

王有林1,2，許曉霞1，陳 楠1

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065;2.國(guó)家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心，西安 710065)

基坑開(kāi)挖改變了原有土體的應(yīng)力平衡，使得相鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體側(cè)移，必然導(dǎo)致地下管線(xiàn)向基坑內(nèi)方向發(fā)生變形。文章基于某深基坑工程，采用數(shù)值模擬研究了基坑開(kāi)挖、加載支護(hù)過(guò)程中邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變以及對(duì)黑河管線(xiàn)的影響程度等，通過(guò)對(duì)深基坑水平位移值、黑河管道總變形控制值的論證，提出了其相應(yīng)的安全預(yù)警值，為基坑安全應(yīng)急預(yù)案的制定提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：深基坑；地下管道；數(shù)值分析；控制標(biāo)準(zhǔn)；安全評(píng)價(jià)

0 前 言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快和建筑用地日趨減少，各種市政及軌道交通項(xiàng)目陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)，同時(shí)高層住宅、大型商業(yè)化設(shè)施也不斷增多，從而使得工程建設(shè)中深基坑工程越來(lái)越多。基坑開(kāi)挖不可避免地會(huì)造成周?chē)貙訑_動(dòng)，對(duì)周邊建筑、地鐵隧道、大型地下管線(xiàn)等產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形，從而造成一定程度的損傷或破壞性影響。作為城市生命線(xiàn)工程的地下線(xiàn)纜、排水管網(wǎng)等管道工程，因其隱蔽性導(dǎo)致破壞不易發(fā)覺(jué)[1]，一旦產(chǎn)生破壞不僅會(huì)引起重大的經(jīng)濟(jì)損失，更將造成嚴(yán)重的社會(huì)及政治影響，且其損失是不可挽回的。

基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響預(yù)測(cè)與控制技術(shù)研究是一項(xiàng)非常重要的課題[2]，已引起廣大科研、設(shè)計(jì)及施工人員的重視。現(xiàn)有研究分為2類(lèi)：一類(lèi)是采用有限元數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行整體建模，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)鄰近管道的影響[3-7]；另一類(lèi)是位移控制分析方法[8]，不關(guān)注基坑開(kāi)挖施工過(guò)程，將基坑開(kāi)挖引起的土體位移作為控制條件，分析管道的受力和變形。

本文以西安某深基坑工程為依托，采用數(shù)值模擬手段，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程及開(kāi)挖完成后對(duì)鄰近管道的影響，在此基礎(chǔ)上提出管道位移和強(qiáng)度的控制標(biāo)準(zhǔn)，從而為施工提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑總體布置

某項(xiàng)目基坑形狀為三角形，自北向南逐漸變小，基坑南北方向長(zhǎng)約250 m，北側(cè)寬約150 m，南側(cè)寬約22 m。基坑?xùn)|側(cè)為G地塊，與H基坑相距約50 m。基坑開(kāi)挖深度為18.2～28.1 m，采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)方案。基坑?xùn)|側(cè)為黑河輸水隧洞(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“黑河管線(xiàn)”)，管線(xiàn)與基坑?xùn)|側(cè)邊線(xiàn)平行，管線(xiàn)中心距基坑?xùn)|側(cè)壁水平距離為21 m，埋深為現(xiàn)地面下21～22 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 基坑與黑河管線(xiàn)的位置關(guān)系圖 單位：mm

黑河管線(xiàn)為素混凝土結(jié)構(gòu)，管道外截面呈馬蹄形，開(kāi)挖毛斷面約3.3 m×3.3 m，襯砌厚度300～350 mm。管線(xiàn)分倉(cāng)、分段澆筑施工，每段長(zhǎng)度20 m，接茬處埋設(shè)止水膠條。目前基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案已進(jìn)入黑河引水管渠的控制區(qū)域，需進(jìn)行基坑開(kāi)挖、支護(hù)及使用過(guò)程中對(duì)引水管線(xiàn)影響的安全評(píng)價(jià)。

1.2 基本工程地質(zhì)條件

2 三維計(jì)算模型的建立

2.1 模型尺寸

基于有限元的基本理論，利用MIDAS/GTS建立三維模型，分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近黑河管線(xiàn)的影響。為便于分析作以下假定：① 地下管線(xiàn)為等直徑、等壁厚且不考慮接頭影響，材料本構(gòu)關(guān)系按線(xiàn)彈性考慮；② 土體假定為連續(xù)介質(zhì)線(xiàn)彈性體；③ 假定管線(xiàn)與周?chē)馏w始終緊密接觸，即變形過(guò)程中管線(xiàn)與土體沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)或發(fā)生脫離。

為了消除邊界條件的影響，考慮到基坑?xùn)|側(cè)50 m以外的G地塊基坑已經(jīng)開(kāi)挖的現(xiàn)狀，三維模型計(jì)算邊界取為410 m×150 m×50 m。按實(shí)際施工順序進(jìn)行數(shù)值模擬，分析基坑開(kāi)挖對(duì)黑河管道整體變形造成的影響。在實(shí)際模擬中，基坑開(kāi)挖的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸、施工工法、黑河管道的埋深、襯砌厚度等均按實(shí)際情況考慮；土層視為理想彈塑性體，強(qiáng)度準(zhǔn)則采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則；灌注樁、旋噴錨索以及黑河管道襯砌等均采用彈性本構(gòu)模擬。其中旋噴錨索采用植入式桁架單元，灌注樁(采用等效剛度換算截面)及管道襯砌采用板單元模擬。三維整體有限元計(jì)算模型及支護(hù)結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖2、3。

圖2 三維有限元模型網(wǎng)格圖

圖3 三維模型支護(hù)結(jié)構(gòu)空間布置圖

計(jì)算模型的位移邊界條件為：yz面上x(chóng)方向位移被約束，y、z方向位移自由；xz面上y方向位移被約束，x、z方向位移自由：模型底面xy為固定約束；另外，模型四角豎線(xiàn)上點(diǎn)的xy方向位移被約束。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算參數(shù)的選取主要依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，同時(shí)參考了西安地區(qū)典型土層的物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)，計(jì)算采用土層參數(shù)見(jiàn)表1，其結(jié)構(gòu)單元截面特性見(jiàn)表2。根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)地下水水位位于隧道底板以下，故本次模擬不考慮基坑降水的影響。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)單元特性表

2.3 基坑分布開(kāi)挖模擬過(guò)程

參照設(shè)計(jì)方案，開(kāi)挖模擬步驟為：(1) 初始狀態(tài)→(2) 施工上排樁→(3) 開(kāi)挖→(4) 施工錨索→(5) 開(kāi)挖→(6) 施工錨索→……，(12) 依次施工至平臺(tái)段→(13) 施工下排樁→(14) 開(kāi)挖→(15) 施工錨索→……，依次施工直至基坑坑底為止(見(jiàn)圖4)。每層開(kāi)挖深度2.5 m，分別模擬開(kāi)挖至平臺(tái)段和坑底時(shí)管線(xiàn)所受的最大應(yīng)力和位移。

圖4 開(kāi)挖模擬步驟圖 單位：m

3 數(shù)值分析

3.1 基坑變形分析

根據(jù)開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程模擬分析，上半部分在施工的11種工況下，水平位移最大值為-6.69～7.21 mm，工況序號(hào)為(11)，最大變形量位于上半部分基坑坑底13.6 m處，坑底隆起1.37 cm；下半部分在施工的9種工況下，水平位移最大值為-13.56～5.64 mm，工況序號(hào)為(20)，最大變形量位于下半部分基坑坑底28.1 m處，坑底隆起值為14.4 mm(見(jiàn)圖5)。地表沉降值在開(kāi)挖至平臺(tái)階段為1 mm，開(kāi)挖完成階段為1.5 mm。基坑頂部水平和垂直位移均不足15 mm，滿(mǎn)足基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 開(kāi)挖完成后總變形矢量圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

(1) 錨索軸力

在開(kāi)挖至平臺(tái)段～開(kāi)挖至坑底這一施工過(guò)程中，錨索軸力最大值的位置不同，開(kāi)挖至坑底時(shí)對(duì)應(yīng)的錨索軸力最大，為1 005.31 kN。

(2) 灌注樁變形分析

灌注樁在開(kāi)挖過(guò)程中變形量較小，開(kāi)挖至平臺(tái)段時(shí)x方向變形量為2.78 mm，z方向變形量為2.08 mm；開(kāi)挖至坑底時(shí)x方向變形量為4.14 mm，z方向變形量為12.53 mm。變形量均未超過(guò)15 mm，滿(mǎn)足灌注樁變形控制要求。灌注樁最大彎矩發(fā)生在開(kāi)挖至坑底，彎矩值為961.9 kN/m2，小于0.2倍極限彎矩值，支護(hù)結(jié)構(gòu)安全級(jí)別達(dá)到一級(jí)，正常情況下無(wú)需采取措施。

3.3 黑河管線(xiàn)變形分析

當(dāng)基坑開(kāi)挖至平臺(tái)段時(shí)，黑河管線(xiàn)受其開(kāi)挖影響總變形量最大值為2.5 mm，x、z方向最大變形量分別為2.3 mm、-0.97 mm；當(dāng)基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，黑河管線(xiàn)受其開(kāi)挖影響總變形量達(dá)到2.89 mm(見(jiàn)圖6)，x、z方向最大變形量分別為2.84 mm、-1.24 mm。由此可見(jiàn)，黑河管線(xiàn)受基坑開(kāi)挖影響主要發(fā)生在上半部基坑施工過(guò)程，黑河管線(xiàn)x方向變形為z方向的2倍，主要為水平位移，總體變形與開(kāi)挖變形趨勢(shì)一致，即其變形主要取決于周邊土體變形值的大小。z方向變形量為負(fù)值，代表為沉降變形。

圖6 基坑開(kāi)挖至坑底管線(xiàn)變形云圖

3.4 管線(xiàn)安全評(píng)價(jià)

基坑開(kāi)挖改變了原有土體的應(yīng)力平衡，使得相鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移，土體也隨之發(fā)生側(cè)移，必然導(dǎo)致地下管線(xiàn)發(fā)生向基坑內(nèi)方向的變形，當(dāng)位移達(dá)到變形的極限值時(shí)，將會(huì)引起拉裂破壞。同時(shí)土體位移作用在管線(xiàn)上，將產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力超過(guò)管線(xiàn)材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，管線(xiàn)將發(fā)生破裂。

(1) 容許強(qiáng)度

地下管線(xiàn)處于安全狀態(tài)，強(qiáng)度需滿(mǎn)足：

(1)

式中：δmax為管線(xiàn)截面所受的最大應(yīng)力；δ為管線(xiàn)材料的容許強(qiáng)度。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算，最大主應(yīng)力在基坑開(kāi)挖至平臺(tái)段時(shí)為148 kPa，開(kāi)挖至坑底段時(shí)為121 kPa，均遠(yuǎn)小于C15混凝土的強(qiáng)度，因此單從應(yīng)力角度看不會(huì)引起隧洞混凝土破壞，控制管線(xiàn)安全的主要因素為土層變形引起的管線(xiàn)位移量。

(2) 容許變形量

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定[9]，當(dāng)?shù)叵鹿芫€(xiàn)累計(jì)位移量不超過(guò)10 mm時(shí)，可滿(mǎn)足變形控制要求。鑒于黑河管線(xiàn)屬早期設(shè)計(jì)建造的輸水工程，混凝土襯砌標(biāo)號(hào)不高，設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)較低，且目前管線(xiàn)已存在小量滲漏等實(shí)際現(xiàn)狀，從管道構(gòu)件安全、耐久的角度出發(fā)，現(xiàn)行規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)偏低。黑河管線(xiàn)在本基坑段長(zhǎng)約210 m，本段最多有12處分倉(cāng)接頭。管道各分段鋼筋混凝土構(gòu)件可視為剛形體，因基坑開(kāi)挖引起的附加應(yīng)力遠(yuǎn)小于自身材料的強(qiáng)度，因而各分段自身不形成裂縫，相對(duì)而言接縫處強(qiáng)度較低，認(rèn)為裂縫主要在各段連接頭處產(chǎn)生。根據(jù)SL654—2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，地下環(huán)境條件下，混凝土構(gòu)件正截面的表面最大裂縫寬度不能超過(guò)0.3 mm。也就是各接頭處裂縫寬度不能超過(guò)0.3 mm，若接頭處產(chǎn)生的裂縫大于0.3 mm，則認(rèn)為管道將產(chǎn)生滲漏等問(wèn)題。12處接頭產(chǎn)生的最大容許變形量為3.6 mm(12×0.3 mm)，且不允許產(chǎn)生大于0.3 mm的差異性變形。通過(guò)前述數(shù)值計(jì)算結(jié)果，黑河管線(xiàn)最大變形量為2.9 mm<3.6 mm，滿(mǎn)足管線(xiàn)控制變形要求。表3為黑河管道變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 黑河管線(xiàn)變形控制標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 通過(guò)數(shù)值模擬，基坑坑壁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大變形量均滿(mǎn)足變形控制要求；灌注樁產(chǎn)生的彎矩小于0.2倍極限彎矩，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全評(píng)價(jià)級(jí)別為一級(jí)，正常情況下無(wú)需采取其他措施。

(2) 黑河管線(xiàn)因基坑開(kāi)挖遭受的附加應(yīng)力最大值遠(yuǎn)小于材料自身強(qiáng)度，從應(yīng)力角度不會(huì)引起管線(xiàn)破裂，控制管線(xiàn)安全的主要因素為土層側(cè)移引起的管線(xiàn)累計(jì)位移量和差異性變形量。

(3) 根據(jù)混凝土最大裂縫寬度限值，提出了管線(xiàn)在該段最大容許變形量和差異性沉降差值。通過(guò)計(jì)算，基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的土體位移量小于管線(xiàn)容許變形量，滿(mǎn)足管線(xiàn)變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 張陳蓉,俞劍,黃茂松.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地下管線(xiàn)影響的變形控制標(biāo)準(zhǔn)[J].巖土力學(xué)，2012,33(07):2027-2037.

[2] 李大勇,龔曉南.深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)叵鹿芫€(xiàn)影響因素分析[J].建筑技術(shù)，2003,34(02):94-96.

[3] 左殿軍,史林,李銘銘，等.深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧洞影響數(shù)值計(jì)算分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014,36(S2):391-395.

[4] AHMED I.Pipeline response to excavation in-duced ground movements[D].New York:Cornell University,1990.

[5] 賈洪斌.深基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)芈窆芫€(xiàn)的影響分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.[6] 鄭剛,劉慶晨,鄧旭,等.基坑開(kāi)挖對(duì)下臥運(yùn)營(yíng)地鐵隧道影響的數(shù)值分析與變形控制研究[J].巖土力學(xué)，2012,33(04):1109-1117.[7] 魏剛.基坑開(kāi)挖對(duì)下方既有盾構(gòu)隧道影響的實(shí)測(cè)與分析[J].巖土力學(xué)，2013,34(05):1421-1428.

[8] 蔡建鵬,黃茂松,錢(qián)建固,等.基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地下管線(xiàn)影響分析的DCFEM法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010,6(01):120-124.[9] 山東省建設(shè)廳.建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范：GB5049-2009[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2010.

[10] 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程合理使用平限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范：SL654-2004[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014.

Safety Assessment of Impacts from Deep Foundation Pit Excavation on Neighboring Underground Pipeline

WANG Youlin1,2, XU Xiaoxia1, CHEN Nan1

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. High Slope and Geological Hazard Research Treatment Division of China Hydropower Technology Research and Development Center, Xi'an 710065,China)

The foundation pit excavation changes the stress balance of the original soil mass causing the neighboring support structure and soil mass to displace laterally. This definitely results in deformation of underground pipeline inward the foundation pit. Based on one deep foundation it, in the paper and by application of data analogy, the slope stress and strain during the pit excavation and support by loading as well as the impacts by the stress and strain on the pipeline are studied. Through demonstration on the horizontal displacement value of the foundation pit and the total deformation control value of the pipeline, the corresponding safety alert value is proposed. This provides preparation of safety emergency plan of the foundation pit with reference. Key words:deep foundation pit; underground pipeline; data analysis; control standard; safety assessment

1006—2610(2016)06—0097—04

2016-10-24

王有林(1983- )，男，青海省互助縣人，工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察和地質(zhì)災(zāi)害防治方面的生產(chǎn)科研工作.

TU473.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.025