基坑開挖對(duì)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(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710043)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，城市化發(fā)展進(jìn)程和工程建設(shè)速度越來越快。用地緊張及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的發(fā)展促使工程建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)超大、深基坑。基坑的開挖打破了原有的應(yīng)力平衡，引起支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外土體發(fā)生水平、豎向位移，且既有建(構(gòu))筑物抵抗變形的能力有限，基坑開挖對(duì)周圍環(huán)境存在不利影響，深基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響分析成為重點(diǎn)問題[1,2]，特別是住房城鄉(xiāng)建設(shè)部令第37號(hào)等實(shí)施以來，對(duì)深基坑的設(shè)計(jì)、施工要求更加嚴(yán)格。

傳統(tǒng)的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件僅能夠?qū)又ёo(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，缺乏對(duì)周邊環(huán)境的影響分析功能，這方面的研究主要采用在數(shù)值模擬的方法。王衛(wèi)東等[3]采用有限元方法模擬了基坑開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、已運(yùn)營(yíng)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(duì)已建盾構(gòu)隧道的影響，并分析了區(qū)間隧道、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、地表沉降、襯砌受力及位移變化趨勢(shì)。馮曉臘等[5]采用有限元軟件模擬分析了基坑開挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境的受力、變形情況。

本文在傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)軟件基礎(chǔ)上，采用有限元軟件分析了基坑開挖過程中對(duì)臨近管線和檢查井的影響。

1 工程概述

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

基坑呈不規(guī)則矩形，東西長(zhǎng)約195 m～210 m，南北寬約177 m～196 m，基坑總長(zhǎng)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(cè)(基坑?xùn)|側(cè))基坑支護(hù)段長(zhǎng)約177.0 m，深11.7 m～19.0 m。

管線及檢查井位于基坑?xùn)|側(cè)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(zhì)為鋼材，埋深約5.3 m。

基坑總平面見圖1，檢查井結(jié)構(gòu)見圖2。

1.2 工程地質(zhì)條件

表1 主要巖土特性

1.3 水文地質(zhì)條件

基坑范圍內(nèi)及周邊地下水類型屬孔隙性潛水，其穩(wěn)定水位埋深為44.70 m～53.30 m。場(chǎng)地地下水主要接受大氣降水和地表水滲入等補(bǔ)給，排泄方式則以徑流、人工開采和蒸發(fā)為主。本項(xiàng)目基坑支護(hù)設(shè)計(jì)不需考慮降水。

2 支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況、基坑深度、周邊環(huán)境條件，按照安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、施工方便的原則，對(duì)基坑進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。由于基坑?xùn)|側(cè)支護(hù)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且基坑深度變化大，基坑支護(hù)類型較多。本文選取檢查井處(同時(shí)也是基坑最深處)65 m范圍進(jìn)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(hù)，樁徑0.8 m，樁間距1.4 m，排距2.2 m，樁長(zhǎng)27.0 m，嵌固10.28 m，基坑下部設(shè)置2道旋噴錨索；基坑其他部位采用單排樁支護(hù)，樁徑0.8 m，樁間距1.5 m，樁長(zhǎng)24.5 m，嵌固7.78 m，設(shè)置1道常規(guī)錨索和3道旋噴錨索。支護(hù)剖面如圖3所示。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[6]，錨拉式支擋結(jié)構(gòu)采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 主要計(jì)算結(jié)果匯總

3 有限元分析

傳統(tǒng)基坑支護(hù)分析軟件僅對(duì)支護(hù)構(gòu)件進(jìn)行受力分析，無法對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行分析。為了較準(zhǔn)確的反映基坑開挖對(duì)臨近管線和檢查井的影響，本文采用Midas GTS NX 有限元軟件對(duì)基坑開挖工況進(jìn)行了模擬分析(見表3)。基坑開挖對(duì)管線的影響采用二維和三維模型分析，對(duì)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(hù)工況

在模擬主體施工及回填工況時(shí)，主體建筑按15 kPa/層荷載考慮，作用于基坑底部?；靥钔涟凑Ｍ馏w單元考慮，臨建筑側(cè)增加水平位移約束。土體采用修正摩爾庫(kù)侖本構(gòu)模型，主要計(jì)算參數(shù)如表4，表5所示。

表5 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

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(duì)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(duì)管線的影響。模型高50 m，長(zhǎng)100 m，右側(cè)邊界距基坑距離60 m，模型單元?jiǎng)澐秩鐖D4所示。

3.1.1樁頂水平位移

各開挖工況下圍護(hù)樁樁頂水平位移如表6所示。開挖至基坑底時(shí)，樁頂最大位移為-14.52 mm。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]，圍護(hù)樁樁頂水平位移累計(jì)值20 mm～30 mm，相對(duì)基坑設(shè)計(jì)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(tǒng)計(jì)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(cè)管線水平位移變化相對(duì)較大，開挖至基坑底時(shí)最大水平位移為-12.61 mm，相對(duì)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(guī)律，同樣臨基坑側(cè)管線豎向位移變化相對(duì)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(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[7]的要求，管道位移累計(jì)值為10 mm～20 mm，可知管線變形滿足規(guī)范要求。

3.2 三維有限元模型

三維模型高50 m，長(zhǎng)126 m，寬120 m，模型邊界距基坑60 m～70 m。為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用等剛度地連墻代替圍護(hù)樁。圖3a)對(duì)應(yīng)的等效地連墻墻厚為0.55 m，圖3b)對(duì)應(yīng)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(shí)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(fā)生旋轉(zhuǎn)。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(fù)方向(坑內(nèi))逐漸增大；開挖5～開挖6工況，檢查井頂面、底面X位移向負(fù)方向(坑內(nèi))逐漸增大，變化趨勢(shì)一致。檢查井Y位移呈類似變化規(guī)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(duì)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(gè)點(diǎn)(間距約11 m，見圖7)，管線總位移見表11。開挖過程中，兩點(diǎn)之間最大差異變形絕對(duì)值為2.3 mm，相對(duì)值為0.2‰，不均勻變形較小。

表11 管線總位移 mm

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合傳統(tǒng)軟件并采用有限元法分析了基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。根據(jù)分析結(jié)果可知：

1)深基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)、管線變形隨開挖深度的增大逐漸變大，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，基坑開挖引起的管線變形滿足規(guī)范要求。2)基坑回填后管線變形有所恢復(fù)，但并不能恢復(fù)原位，即基坑開挖對(duì)管線會(huì)造成永久性影響。3)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)通過傳統(tǒng)方法和有限元法相結(jié)合，分析了管線和檢查井變形、圍護(hù)樁樁頂位移，可以為類似工程提供參考。