基坑開挖對臨近管線和檢查井的影響分析

劉拴奇 張昌軍 田 楠 張文娟

(機械工業勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710043)

0 引言

隨著我國經濟的快速增長，城市化發展進程和工程建設速度越來越快。用地緊張及經濟、技術的發展促使工程建設中經常出現超大、深基坑。基坑的開挖打破了原有的應力平衡，引起支護結構和坑外土體發生水平、豎向位移，且既有建(構)筑物抵抗變形的能力有限，基坑開挖對周圍環境存在不利影響，深基坑開挖對周邊環境的影響分析成為重點問題[1,2]，特別是住房城鄉建設部令第37號等實施以來，對深基坑的設計、施工要求更加嚴格。

傳統的基坑支護設計軟件僅能夠對基坑支護結構進行分析，缺乏對周邊環境的影響分析功能，這方面的研究主要采用在數值模擬的方法。王衛東等[3]采用有限元方法模擬了基坑開挖對圍護結構、已運營隧道的影響。左殿軍等[4]采用有限元方法，考慮隧道襯砌與土的相互作用，研究了基坑開挖對已建盾構隧道的影響，并分析了區間隧道、基坑支護結構、地表沉降、襯砌受力及位移變化趨勢。馮曉臘等[5]采用有限元軟件模擬分析了基坑開挖對支護結構、周邊環境的受力、變形情況。

本文在傳統支護設計軟件基礎上，采用有限元軟件分析了基坑開挖過程中對臨近管線和檢查井的影響。

1 工程概述

1.1 項目簡介

基坑呈不規則矩形，東西長約195 m～210 m，南北寬約177 m～196 m，基坑總長約803 m，面積約38 142 m2，基坑開挖深度3.2 m～19.0 m。臨管線側(基坑東側)基坑支護段長約177.0 m，深11.7 m～19.0 m。

管線及檢查井位于基坑東側人行道下方，高程由南向北逐漸降低，坡度約5.5%。檢查井平面尺寸為9.5 m×5.8 m，高9.9 m，距基坑開挖邊線凈距約8.3 m，埋深約4.0 m。管線距基坑開挖邊線凈距約10.2 m～12.5 m，管線外徑0.63 m，壁厚10 mm，材質為鋼材，埋深約5.3 m。

基坑總平面見圖1，檢查井結構見圖2。

1.2 工程地質條件

表1 主要巖土特性

1.3 水文地質條件

基坑范圍內及周邊地下水類型屬孔隙性潛水，其穩定水位埋深為44.70 m～53.30 m。場地地下水主要接受大氣降水和地表水滲入等補給，排泄方式則以徑流、人工開采和蒸發為主。本項目基坑支護設計不需考慮降水。

2 支護設計

根據場地工程地質和水文地質情況、基坑深度、周邊環境條件，按照安全可靠、經濟合理、技術可行、施工方便的原則，對基坑進行分段設計。由于基坑東側支護長度較長，且基坑深度變化大，基坑支護類型較多。本文選取檢查井處(同時也是基坑最深處)65 m范圍進行分析。

由于檢查井距基坑較近，基坑上部錨索無法施工，采用雙排樁支護，樁徑0.8 m，樁間距1.4 m，排距2.2 m，樁長27.0 m，嵌固10.28 m，基坑下部設置2道旋噴錨索；基坑其他部位采用單排樁支護，樁徑0.8 m，樁間距1.5 m，樁長24.5 m，嵌固7.78 m，設置1道常規錨索和3道旋噴錨索。支護剖面如圖3所示。

根據《建筑基坑支護技術規程》[6]，錨拉式支擋結構采用彈性支點法進行計算，計算結果如表2所示。

表2 主要計算結果匯總

3 有限元分析

傳統基坑支護分析軟件僅對支護構件進行受力分析，無法對周邊環境進行分析。為了較準確的反映基坑開挖對臨近管線和檢查井的影響，本文采用Midas GTS NX 有限元軟件對基坑開挖工況進行了模擬分析(見表3)。基坑開挖對管線的影響采用二維和三維模型分析，對檢查井的影響采用三維模型分析。為減小邊界約束的影響，模型邊界與基坑的水平距離不小于基坑深度的3倍。

表3 基坑開挖、支護工況

在模擬主體施工及回填工況時，主體建筑按15 kPa/層荷載考慮，作用于基坑底部。回填土按正常土體單元考慮，臨建筑側增加水平位移約束。土體采用修正摩爾庫侖本構模型，主要計算參數如表4，表5所示。

表5 主要結構參數

3.1 二維有限元模型

由于檢查井具有空間特性，二維模型僅分析基坑開挖對管線的影響。選取最不利斷面(基坑深18.12 m)模擬基坑開挖對管線的影響。模型高50 m，長100 m，右側邊界距基坑距離60 m，模型單元劃分如圖4所示。

3.1.1樁頂水平位移

各開挖工況下圍護樁樁頂水平位移如表6所示。開挖至基坑底時，樁頂最大位移為-14.52 mm。根據《建筑基坑工程監測技術標準》[7]，圍護樁樁頂水平位移累計值20 mm～30 mm，相對基坑設計深度控制值為基坑深度的0.2%～0.3%，可知樁頂水平位移滿足變形要求。

表6 樁頂水平位移 mm

3.1.2管線位移

各開挖工況下管線的水平和豎向位移如表7所示。

表7 管線位移統計表 mm

1)隨著基坑開挖深度的增加，管線水平位移逐漸增大，且臨基坑側管線水平位移變化相對較大，開挖至基坑底時最大水平位移為-12.61 mm，相對變化率為管線至基坑底高度的1‰。

2)管線豎向位移呈先隆起后下沉的規律，同樣臨基坑側管線豎向位移變化相對較大。管線隆起的原因是第一次開挖深度2.3 m(工況3)較淺，開挖土體位于管線上方，卸載后造成管線隆起，最大隆起量為0.94 mm；隨著開挖深度增加，管線逐漸下沉，最大沉降量為-2.27 mm。

根據《建筑基坑工程監測技術標準》[7]的要求，管道位移累計值為10 mm～20 mm，可知管線變形滿足規范要求。

3.2 三維有限元模型

三維模型高50 m，長126 m，寬120 m，模型邊界距基坑60 m～70 m。為簡化計算，采用等剛度地連墻代替圍護樁。圖3a)對應的等效地連墻墻厚為0.55 m，圖3b)對應的等效地連墻墻厚為0.57 m。三維模型如圖5所示。

3.2.1檢查井變形

各開挖工況下檢查井位移見表8～表10，基坑開挖至坑底時的位移如圖6所示；No.1～No.4位置如圖6a)所示。

表8 檢查井X方向位移 mm

表9 檢查井Y方向位移 mm

表10 檢查井Z方向位移 mm

1)檢查井在開挖過程中發生旋轉。開挖1～開挖4工況，檢查井頂面X位移向正方向(坑外)逐漸增大，底面X位移向負方向(坑內)逐漸增大；開挖5～開挖6工況，檢查井頂面、底面X位移向負方向(坑內)逐漸增大，變化趨勢一致。檢查井Y位移呈類似變化規律。檢查井頂面、底面最大X(Y)位移差值為2.4 mm(0.8 mm)。

2)隨著開挖深度增加，豎井先隆起后沉降。開挖1～開挖4工況，開挖面位于檢查井井底以上，檢查井隆起量逐漸增加，最大隆起量為4.4 mm；開挖5～開挖6工況，開挖面位于檢查井井底以下，豎井逐步下沉，最大沉降量為3.2 mm。

3.2.2管線變形

影響管線安全的因素除了管線的位移絕對量外，還需考慮沿管線縱向的不均勻變形。沿Y軸正向于管線上選取5個點(間距約11 m，見圖7)，管線總位移見表11。開挖過程中，兩點之間最大差異變形絕對值為2.3 mm，相對值為0.2‰，不均勻變形較小。

表11 管線總位移 mm

4 結語

結合傳統軟件并采用有限元法分析了基坑開挖對周邊環境的影響。根據分析結果可知：

1)深基坑開挖支護結構、管線變形隨開挖深度的增大逐漸變大，根據計算結果，基坑開挖引起的管線變形滿足規范要求。2)基坑回填后管線變形有所恢復，但并不能恢復原位，即基坑開挖對管線會造成永久性影響。3)基坑支護設計通過傳統方法和有限元法相結合，分析了管線和檢查井變形、圍護樁樁頂位移，可以為類似工程提供參考。