條形深基坑對臨近大直徑管線的影響分析

王 新

（上海城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200125）

0 引言

本文以上海市某下立交的條形基坑為工程背景，運用有限元軟件建立影響分析模型，通過分析基坑周邊地層和管線的變形規律，評估基坑對臨近管線的影響。通過本次研究，為相似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

上海市某下立交由西向東穿越某橫向路口（見圖1），車道規模為雙向4車道，設計時速為60km/h。下立交總長460m，其中暗埋段140m，西側敞開段長180m，東側敞開段長140m，結構寬度18.4～19.2m。暗埋段為雙孔矩形現澆混凝土結構（見圖2），敞開段為U型結構。

圖1 地道平面圖

圖2 地道建筑橫斷面圖（單位：mm）

下立交與污水管1、2、3平行，下立交基坑與污水管1間距約9m，與污水管2間距2～4m，與污水管3間距8～9m。根據現場探測，污水管1管底埋深約9m，污水管2管底埋深3～5m，污水管3管底埋深約6m。

下立交基坑深度0～8m。地道基坑開挖范圍內土層由下至上為③淤泥質粉質黏土夾粉土、③t粘質粉土夾淤泥質粉質黏土、②1粉質黏土、①1填土層。基坑主要位于軟土層，且距離污水管2間距僅2～4m，應采用剛度大、施工擾動小的圍護形式。地下連續墻圍護剛度大，但成槽過程中易產生泥皮剝落甚至局部坍塌等擾動影響，故不宜采用。鉆孔灌注樁+止水帷幕的圍護方式占地較大，鉆孔樁和止水帷幕施工對污水管2影響明顯，故不宜采用。型鋼水泥土攪拌墻剛度小，攪拌樁施工和型鋼的插拔對污水管2影響明顯，且工法樁豎向承重能力差，不能直接設置棧橋，故不宜采用。硬法切割的鉆孔咬合樁采用鋼套管成孔，施工過程中對臨近管線影響微小，且咬合樁剛度大、占地小、豎向承載力高、可布置棧橋。因此，本工程采用1000@800鉆孔咬合樁的圍護形式。此外，基坑豎向設置3道支撐，首道結合棧橋設置混凝土支撐，余下支撐均為609×16鋼管撐（見圖 3）。

污水管1、2、3均為混凝土管道，采用承插接頭連接。污水管1采用頂管法施工，污水管2和3采用開槽埋管施工。

2 模型建立

2.1 幾何模型

本工程為條形基坑，基坑長度遠大于基坑寬度，可簡化為平面應變問題進行分析。根據平面假定，采用Plaxis2D有限元軟件對本下立交基坑工程建立數值模型（見圖4），模型中考慮臨近大直徑管線和地面超載20kPa。為消除邊界影響，模型水平向寬度100m，豎向50m。邊界條件：底部約束豎向位移，兩側約束水平向位移。

圖4 模型網格圖

2.2 材料參數

土體采用15節點的三角形單元，力學模型采用Hardening-Soil模型，土層物理力學參數見表1。圍護結構采用彈性板單元模擬，污水管道均采用圓形彈性單元模擬，支撐采用彈性桿單元模擬。地下水位設定為地下0.5m，不考慮滲流作用。

2.3 模擬工序

首先，計算初始應力，清除初始位移。

其次，激活管線結構單元，計算完成后清除初始位移。

最后，激活圍護結構，逐層開挖至坑底標高。

圖3 基坑圍護結構橫斷面（單位：mm）

表1 場地土層物理力學性質

3 影響分析

第一層基坑（坑深2.05m）開挖后的土層側向變形和沉降如圖5、圖6所示。基坑圍護最大側移2.0mm，地面最大沉降約-0.8mm。3個管線沉降在-0.5mm以內，最大側向變形約1mm。

圖5 第一層基坑開挖后地層水平變形云圖

圖6 第一層基坑開挖后地層沉降云圖

第二層基坑（坑深5.05m）開挖后的土層側向變形和沉降如圖7、圖8所示。基坑圍護最大側移3mm，地面最大沉降約-1mm。3個管線沉降在-1mm以內，最大側向變形約1.6mm。

圖7 第二層基坑開挖后地層水平變形云圖

圖8 第二層基坑開挖后地層沉降云圖

第三層基坑（坑深8.05m）開挖后的土層側向變形和沉降如圖9、圖10所示。基坑圍護最大側移16mm＜24mm，地面最大沉降約-12.5mm＜20.1mm，滿足中二級環境保護等級標準[1]。3個管線沉降在-8mm以內，最大側向變形約9mm。

圖9 第三層基坑開挖后地層水平變形云圖

圖10 第三層基坑開挖后地層沉降云圖

基坑開挖完成后周邊土體位移矢量圖如圖11所示。從圖中可見，基坑開挖造成周邊土體和臨近管線向開挖面移動。污水管1豎向位于坑底附近，主要以水平位移為主，往坑內位移約6mm。污水管2豎向位于坑底之上，處于基坑理論破裂角范圍內，總位移方向指向坑腳，最大值約9mm。污水管3豎向位于坑底以上，但其處于基坑理論破裂角外，總位移方向指向坑腳，最大值約6mm。

圖11 基坑開挖完成后位移矢量圖

綜上分析，基坑開挖對臨近3個大直徑管污水管存在一定影響，總位移均小于10mm，滿足管線控制標準。

4 影響因素分析

除基坑工程本體外，管道水平位移、覆土深度、管道直徑等外部條件也是管道發生較大變形的影響因素。以管道最大水平位移為參照，分析各因素對管道的影響程度。

4.1 水平距離

以直徑1.8m污水管為例，埋置深度約2.3m，調整管道與基坑水平距離，得到水平距離與管道最大水平位移相互關系，如圖12所示。水平距離加大，管道最大水平位移明顯減少。

圖12 管道最大水平位移與水平凈距關系曲線

4.2 埋置深度

以直徑1.8m污水管為例，水平距離約2m，調整管道豎向埋深，得到覆土深度與管道最大水平位移相互關系，如圖13所示。管道變形最大位置位于坑底以上1～3m處。

圖13 管道最大水平位移與覆土深度關系曲線

4.3 管道直徑

設定污水管，水平距離約2m，豎向覆土約2.3 m，調整管道直徑，得到直徑與管道最大水平位移相互關系，如圖14所示。管徑加大造成管道最大水平位移呈增大趨勢，但增量較小。

圖14 管道最大水平位移與管道直徑關系曲線

比較可知，除基坑工程本體以外，管道與基坑水平距離、管道覆土埋深是管道變形的主要影響因素，管徑為次要因素。

5 結語

借助上海某下立交工程，建立基坑開挖對臨近大直徑管線影響的數值模型，通過計算結果分析，得到以下結論。

（1）圍護結構采用直徑1000mm的鉆孔咬合樁，較大的圍護剛度對控制基坑變形作用明顯。

（2）污水管豎向位于坑底附近，水平方向處于基坑理論破裂角之外時，主要發生往開挖面的水平位移。

（3）污水管豎向位于坑底之上，豎向處于基坑理論破裂角范圍之內時，位移值相比較大，矢量方向指向坑腳。

（4）污水管豎向位于坑底以上，豎向處于基坑理論破裂角之外時，總位移方向指向坑腳。

（5）通過分析影響因素可知，管道與基坑水平距離、管道覆土埋深是管道變形的主要影響因素（除基坑工程本體以外），管徑為次要因素。

條形基坑對臨近大直徑管線的影響較為復雜，基坑開挖引起的地層擾動和管線變形實質呈三維狀態。后期將結合實測數據，分析基坑開挖引起管線三維變形的發展規律，為以后相似工程的施工控制提供參考。

參考文獻:

[1]DG／TJ08-61-2010.上海市基坑工程技術規范[S].