深基坑開挖對毗鄰管網及建筑物安全影響的研究

孫世國，呂 鵬，宋志飛

(北方工業大學土木工程學院,北京 100144)

1 概述

近年來國內發生了多起深基坑坍塌事故,占事故總數的65%。深基坑工程發生坍塌事故,事故的類型很多,導致的原因也比較復雜。比如說在水土壓力作用下可能會破壞支護結構,其中的破壞形式也不一樣[1]。在根據具體施工工況和地質條件作用下,分析基坑坍塌可能產生的原因和控制措施極為重要[2]。而最容易忽視的一點就是深基坑在施工時對周圍環境產生的變化及影響,尤其是復雜地質條件和施工工況下的基坑安全[3-7]。由于現代施工技術的成熟和各種復雜地質條件等因素的共同影響,怎樣在施工過程中保證基坑及基坑周圍環境的安全成為需要深入研究的重點[8-9]。針對這些難點和各種不確定性因素的影響下,大力發展基坑工程的新型理論以及將各種變形控制措施與計算機大數據各類學科融合發展顯得尤為重要[10-11]。

基坑工程既是一個綜合性的巖土工程問題,又涉及到土層及支護方式共同作用的復雜問題,造成當前基坑工程仍處于半理論半經驗的狀況[12-14]。國內外很多學者已經在該領域上做出了不少成果,但尚有許多技術問題有待不斷的改進和完善[15-17]。

2 深基坑開挖誘發毗鄰管線變形與破壞機理研究

2.1 數值模型的建立

本文為了更好的進行系統研究,采用巖土工程軟件Midas對基坑進行建模與分析。根據實際尺寸進行建模,實際的模型尺寸為280 m×140 m×20 m。此基坑分別采用4 m,4 m,2.2 m三次開挖方式。采用支護樁加錨索共同支護的支護形式。支護樁長為15.2 m,錨索設置的位置分別在基坑開挖深度的0 m,4 m,4 m處。采用平面應變分析方法,結合摩爾庫侖準則。數值模擬網格劃分圖如圖1所示。

2.2 深基坑開挖誘發支護結構變形

由于開挖導致支護結構產生水平位移特點如下:支護樁產生線性變形,破壞發生在錨索的錨固區,因此第一道錨索已無法提供原先設計的錨固力,支護樁頂部的位移已經超過規范容許值,達到破壞狀態。其他樁樁頂位移量較小,水平位移曲線呈現凹型,最大位移在容許范圍內,未達到破壞。不同開挖階段支護結構X方向水平位移曲線圖見圖2。

2.3 深基坑開挖誘發圍巖土體變形

根據數值模擬得到降水和分布開挖階段基坑在不同深度下沉降數據繪制出曲線圖如圖3—圖6所示。基坑在分布開挖過程中或導致周圍土體和毗鄰管線產生較為明顯的應力重分布,因此隨著開挖深度的增大,導致周圍土體和管線形變量也在不斷增大。基坑降水也會導致土體自重應力發生改變,土體自身也會產生一個較大的沉降量,根據下圖可知沉降量最大的位置發生在距離基坑邊緣8 m處,此處產生的最大沉降值為28.3 mm,已超過規范所容許的20 mm。

2.4 深基坑開挖誘發周邊建筑及變形特點

基坑開挖對周邊建筑物產生的影響主要是由于建筑物下的基坑周邊土層產生了應力重分布,而這種應力重分布會導致周邊建筑物產生不均勻沉降,根據數值模擬分析可知土體的沉降位移在靠近基坑邊緣處最大為28.01 mm,已超出規范所允許的數值,隨著距離基坑邊緣越遠,土體的沉降位移逐漸減小,因此影響到建筑物的豎向沉降也逐漸減小。根據圖7結合規范可知建筑物易發生危險的區域在距離基坑邊緣8 m～20 m處,應力重分布導致基坑周圍土層發生不均勻沉降,這種沉降直接影響了建筑物的穩定性,易產生傾覆。

2.5 深基坑開挖誘發周邊管線變形特點

如圖8,圖9所示,毗鄰管線產生的位移及變形展示如下。

1)由于基坑的分步開挖,誘發周圍土體內部產生應力重分布的現象,土的原有應力狀態被破壞,因此作用在管線上的土壓力會隨著基坑開挖深度的增加而增大,從而直接導致管線產生較大的變形與位移,且隨著基坑開挖深度的增加這種變形與位移也在逐步增加。

2)在基坑降水過程中,由于土層里水位的下降,導致土體內部產生應力重分布,土體的有效應力逐漸上升,且周圍土體在自重應力的作用下逐漸產生不均勻沉降,土的不均勻沉降直接影響到了管線的沉降位移,最大為6.7 mm,但仍在安全范圍之內。基坑的分步開挖對管線的沉降也有較大影響,隨著開挖的進行基坑周圍巖土體產生較大沉降,對管線周圍土體產生較大擾動,隨著開挖的進行直至開挖3階段,管線產生的最大變形為16.41 mm,已經超過規范所允許的最大值,達到破壞狀態。

3)由于在基坑開挖過程中,作用在管線不同部位上的應力大小各不相同,在管線左側土體施加給管道的應力最小,且管道其他位置所受土體的應力隨著與建筑物距離的增大而減小,因此管線受到土壓力而產生的形變位移也隨著與建筑物距離的增大而逐漸減小,主要影響區為距離建筑物14 m以內,超過14 m后管線受到的土壓力大小急劇下降,形變位移也隨之急劇下降。在開挖3階段完成后,管線的最大沉降位移發生在距離建筑物邊緣處,且最大值為16.41 mm,已經達到破壞狀態。

3 結論

1)隨著離基坑邊緣距離的增大,地表沉降位移先逐漸增大,達到某一臨界值時地表沉降隨著距基坑邊緣距離的增大而減小,地表沉降位移最大值發生在距離基坑8 m處。

2)在降水階段,由于土體有效應力的增加,土層在自重應力的作用下產生較大變形,基坑周圍地表產生大面積不均勻沉降,從而導致建筑物產生豎向沉降,但最大沉降量未發生較大變化。根據數值模擬的結果,最終狀態下建筑物的最大豎向沉降位移為28.01 mm,管線的最大豎向沉降位移為16.41 mm,均超出規范所允許的最大變形值。

3)基坑的分步開挖,誘發周圍土體內部產生應力重分布的現象,土的原有應力狀態被破壞,因此作用在管線上的土壓力會隨著基坑開挖深度的增加而增大。在基坑降水過程中,由于土層里水位的下降,導致土體內部產生應力重分布,土體的有效應力逐漸上升,且周圍土體在自重應力的作用下逐漸產生不均勻沉降,土的不均勻沉降直接影響到了管線的沉降位移。因此管線受基坑開挖和降水兩個因素共同影響,位移分布受地層條件影響,會隨著距離建筑物距離的增大而逐漸變小。