深基坑開挖對近鄰大直徑管線的影響

金 祎， 柯 磊， 胡方劍， 楊開放， 徐長節,5*

(1.杭州市錢江新城建設開發有限公司，杭州 310020；2.杭州市市政設施監管中心，杭州310003；3.宏潤建設集團股份有限公司，上海 200235；4.浙江大學濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058；5.華東交通大學江西省巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌 330013)

目前，中國城市綜合管廊的建設經過十幾年的醞釀，逐漸在城市發展建設中起到了重大的作用。綜合管廊一般沿道路建設，因此管廊基坑呈現出狹長型的特點，基坑工程因面對不同的開挖環境需采用相應地圍護結構形式。尤其是管廊基坑工程集中在城市建(構)筑物的密集區域，為了保護周圍建(構)筑物的安全，與之相關內容的研究逐步引起了工程界的重視。

Zhang等[1]通過改變敏感性參數研究基坑開挖引起管線的應力、應變和位移的變化；Tan等[2]根據現場實測數據研究管線變形與距離基坑位置的關系；在軟土地區，李大勇等[3-4]考慮圍護結構與土體的接觸面模擬基坑開挖的過程，分析不同的土體加固方案對管線位移的影響；張陳蓉等[5-6]通過對比位移控制兩階段簡化分析和控制階段有限元兩種方法，驗證了簡化方法的合理性，同時提出了關于保護管線的控制標準；杜金龍等[7]運用有限元軟件分析不同的管徑對管與土之間接觸面的影響，得出關于管線的曲率、轉角、最大應力和彎矩發生的位置；運用監測數據[8-9]引入風險指標計算和風險擬合，劃分監測和預測管線的風險等級。

前人關于基坑開挖引起近鄰管線位移的研究，基本上是從小直徑管線的角度出發，沒有對大直徑管線做較多的研究；有些研究沒有考慮管線自身剛度的因素，把基坑開挖引起土體的位移作為近鄰管線的位移。為此，運用有限元軟件模擬基坑開挖的過程，研究城市管廊的建設對近鄰大直徑管線的影響，并探討了基坑開挖與管線埋設的三種深度關系，分析大直徑管線因基坑開挖產生的豎向和水平方向位移，為相似工程的施工提供了參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

杭州市錢江新城沿江大道綜合管廊基坑呈長條形狀，開挖長度為2160 m，基坑開挖深度為5.0～16.0 m，開挖寬度10.3～10.7 m。基坑周邊有需要保護的大直徑污水管線，基坑坑邊與污水管線水平距離相距4.0 m，本段污水管線由2根型號D2400的預應力鋼筒混凝土管組成，污水管管徑為2.4 m。由于基坑沿縱向方向開挖，根據基坑周圍的開挖環境選取三種典型的基坑圍護結構設計方案：鉆孔灌注樁加內支撐、SMW(solid mixing wall)工法樁加內支撐和地下連續墻加內支撐。現以地下連續墻加內支撐為研究背景，基坑圍護結構采用地下連續墻加四道內支撐的支護形式，地下連續墻為800 mm的C30混凝土，第一、三道為鋼筋混凝土支撐，第二、四道為鋼支撐，此處污水管埋深約10 m。典型的基坑圍護剖面如圖1所示。

1.2 工程地質條件

該工程地處錢塘江沖海積平原，場地灘淤幅度變化較大，土體具有高壓縮性且部分土層缺失的特點，土體物理力學指標見表1。

1.3 管線位移監測

基坑開挖會改變周圍土體的位移場，近鄰管線也會產生相應的位移變化。由基坑開挖引起兩條近鄰管線沉降的監測值可知(圖2)，管線的沉降量隨著開挖時間的變化而線性增加，兩根管線的沉降值趨勢基本一致。基坑開挖初期，管線的沉降變化緩慢；隨著基坑開挖深度的加深，管線沉降變化顯著，這是由于基坑深度增加，增大了基坑內土體的卸荷對周圍土體的位移場變化；當基坑開挖至坑底時，污水管的沉降逐漸趨于穩定，管線沉降的最大值為8.36 mm。

圖1 基坑圍護結構剖面

表1 土層物理力學性質指標

2 有限元模型的建立

2.1 數值邊界

該基坑工程具有狹長型的特點，基坑的長度遠大于基坑的寬度，因此應用有限元軟件PLAXIS建立二維模型時可簡化為平面應變的問題。模型的水平方向取基坑開挖深度的4倍，豎直方向取基坑開挖深度的3倍，即模型的X方向為60 m，Y方向為50 m，可以滿足邊界條件[10]，模型坐標原點如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

2.2 本構模型及參數選取

2.2.1 土體本構模型

巖土工程實踐表明，土體在破壞前實際上在荷載作用下處于小應變狀態。小應變土體硬化模型(hardening soil model with small-strain stiffness，HSS模型)具有土體的剪切模量隨應變增大而減小的特點，并且可以區分土體的加卸載剛度，因此使用HSS模型，HSS模型可以給出明確的土體卸載模量參數[11-12]，HSS模型土體參數見表2。

2.2.2 模型參數

數值模型的基坑開挖深度為16.0 m，采用地下連續墻加內支撐的圍護結構形式，第一道鋼筋混凝土支撐架設在-1.5 m，第二道鋼支撐架設在-5.0 m，第三道鋼筋混凝土支撐架設在-8.5 m，第四道鋼支撐架設在-12.0 m。具體圍護結構參數如表3、表4所示。

2.3 模型工況

有限元模型根據工程概況模擬施工步驟，分層進行土方開挖，同步架設相應支撐進行支護，關鍵工況如表5所示。

表2 HSS模型土體參數取值

表3 錨桿單元的圍護結構參數

表4 板單元的圍護結構參數

表5 關鍵工況開挖階段

3 模型計算結果

3.1 模型驗證

3.1.1 土體深層水平位移驗證

應用有限元軟件PLAXIS建立數值模型，計算結果表明模型中土體深層水平位移的計算值與實例工程的實測值相吻合。由于模擬開挖過程中，數值模型未能考慮基坑施工過程中對土體的擾動以及坑周部分動荷載的作用，導致基坑工程的實測值大于模型的計算值，但兩者性狀變化趨勢一致。由基坑開挖引起的土體最大水平位移為9.54 mm，數值模型計算值為8.40 mm，兩者相差11.95%且土體最大水平位移均位于基坑坑底附近，深層水平位移基本吻合(圖4)。

圖4 深層土體水平位移

3.1.2 管線位移驗證

基坑開挖會引起周圍大直徑污水管線的位移變化，由有限元的模型計算結果可知(圖5所示)，1號污水管的沉降量達到6.05 mm，工程實測值是8.36 mm，2號污水管的沉降量達到7.19 mm，工程實測值8.07 mm，有限元模型的計算值與工程的實測值兩者相差13.94%。由于有限元模型未能考慮施工對土體的擾動影響，以及基坑周圍部分超載的情況，所以有限元模型的計算值小于基坑開挖引起管線沉降的實測值。

圖5 污水管計算沉降值

3.2 基坑開挖深度與管線埋設深度的關系

通過有限元模型可知土體卸荷會引起近鄰管線位移變化，在基坑開挖初期[即基坑開挖的深度小于污水管線的埋深，圖6(a)所示]，大直徑污水管線周圍的土體向坑內運動，因此污水管線隨著土體產生向上的運動趨勢；當基坑的開挖深度等于污水管線的埋設深度時[圖6(b)所示]，管線周圍的土體會帶動污水管向坑內水平運動，污水管自身的收斂變化較為明顯；當基坑的開挖深度大于管線的埋設深度時[圖6(c)所示]，管線周圍的土體引起污水管線產生向下的沉降趨勢，大直徑污水管線的位移較為明顯。因此，不同的開挖深度會引起管線處于不同的運動狀態。當近鄰管線的基坑開挖時，需要注意基坑的開挖深度與管線的埋設深度關系，控制管線由于開挖深度不同引起的位移監測頻率。

圖6 土體位移場矢量

3.3 管線位移變化規律

3.3.1 管線水平位移

基坑開挖不僅會引起管線的沉降，同時還會造成污水管線的水平位移(圖7所示)，隨著基坑開挖深度的加深，污水管的水平位移逐漸增大；當基坑開挖至污水管線的埋設深度，污水管的水平位移變化最為明顯，污水管的水平方向位移增加的速率為0.57 mm/m(即水平位移的增量與開挖深度的增量比值)；當基坑開挖至坑底時，污水管的水平位移逐漸趨于穩定狀態，水平位移的最大值達到6.0 mm。當基坑開挖至污水管的埋設深度時，此時應增加控制污水管線水平位移的措施。

圖7 污水管線變形

3.3.2 管線豎向位移

圖8 污水管線不同方向的位移變化

基坑開挖時，土體卸荷同時會引起污水管豎向沉降和水平位移的變化(圖8所示)。基坑內土體開挖較少時，污水管線豎向和水平的位移變化較小；隨著基坑開挖深度的增加，管線的豎向和水平位移得到快速發展，當基坑的開挖深度達到8.5 m左右時，污水管線水平方向的位移大于豎向位移，這是由于基坑開挖階段，基坑的圍護結構處于懸臂工作狀態，坑周土體主要向坑內產生水平運動，所以水平方向的位移大于豎向位移；當基坑開挖至12.0 m時，污水管線的豎向位移和水平位移接近，管線的豎向位移逐漸大于水平位移，這種發展趨勢是由于此時基坑開挖較深，主動區產生較大的土壓力迫使土體繞過圍護結構的底端向坑內位移，深層土體的位移場發生了變化，因此污水管線受土壓力的影響，管線的豎向位移大于水平位移，此時污水管豎向位移的增加速率為0.73 mm/m(即豎向位移的增量與開挖深度的增量比值)。在基坑開挖過程中，不僅要監測污水管的水平位移，同時也要做好關于污水管豎向位移的監測。

4 結論

以實例工程為背景，研究基坑開挖引起大直徑污水管的位移變化，運用有限元軟件模擬基坑開挖的過程，得到以下結論。

(1)運用有限元軟件PLAXIS建立的平面應變問題模型，所提到的參數可以為相關有限元模型提供參考。

(2)通過有限元軟件研究基坑的開挖深度與污水管埋設深度的三種關系下，分析基坑開挖引起污水管的位移變化情況。

(3)基坑開挖不僅會引起污水管的豎向位移，同時還會引起污水管的水平方向位移，關于污水管的水平位移的監測極其重要，為工程提供了借鑒。