深基坑開挖對(duì)周邊地下管線的影響

汪東林，李超群，呂秋玲

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

近年來，我國(guó)深入推進(jìn)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，人口日益向城市集中。為了緩解城市內(nèi)土地匱乏的問題，人們不斷地向地下空間探索[1-2]。隨著地下空間工程不斷發(fā)展壯大，深基坑的開挖與支護(hù)也成為各大工程中的重要一環(huán)。在深基坑工程開挖過程中，土體應(yīng)力釋放可能會(huì)導(dǎo)致基坑內(nèi)外存在應(yīng)力差，導(dǎo)致周圍土體變形，從而對(duì)周圍的管線產(chǎn)生影響[3]。值得注意的是，在實(shí)際工程中，管線的受力和變形情況往往不易監(jiān)測(cè)，但是可以在MIDAS GTS NX 軟件中對(duì)開挖過程中管-土協(xié)同變形進(jìn)行準(zhǔn)確模擬[4]。

結(jié)合長(zhǎng)沙市某電力隧道出線井深基坑開挖工程實(shí)例，使用MIDAS GTS NX軟件建立三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，依次從管線埋距的變化、管線埋深的變化、管線材質(zhì)的變化3個(gè)方面探究深基坑開挖過程中地下管線的位移變化規(guī)律，為類似深基坑工程周邊地下管線的保護(hù)優(yōu)化及維護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供了重要參考。

1 工程概況

長(zhǎng)沙市某電力隧道出線井工程基坑開挖面尺寸為15 m×20 m，開挖深度為30 m。支護(hù)體系為厚1 m的地連墻，外加7道內(nèi)支撐(3道砼撐+4道鋼管撐)，嵌固深度為15 m。

2 模型的建立

2.1 基本假定

假定各種材料均勻連續(xù)，分析過程中僅考慮基坑開挖和支護(hù)的影響，不考慮基坑降水。土層采用修正摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，各結(jié)構(gòu)部件采用彈性本構(gòu)模型。

2.2 模型參數(shù)選取

依據(jù)基坑開挖深度并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，取計(jì)算模型尺寸為200 m×200 m×90 m。對(duì)所建模型底面施加固定約束，周圍4個(gè)面施加法向約束，地表為自由面。結(jié)合地勘資料確定模型中相關(guān)土體參數(shù)，土體基本物理學(xué)參數(shù)見表1。模型中維護(hù)結(jié)構(gòu)材料基本參數(shù)見表2。

表1 土體基本物理學(xué)參數(shù)

表2 模型中維護(hù)結(jié)構(gòu)材料基本參數(shù)

2.3 施工階段模擬

本次分析主要考慮基坑開挖過程及支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程對(duì)臨近地下管線的影響，故對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)和管線施工過程引起的土體位移進(jìn)行清零。計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分如圖1所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)與管線的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。施工階段模擬步驟見表3。

圖1 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分 圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)與管線的相對(duì)位置關(guān)系

表3 施工階段模擬步驟

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

因幾何模型對(duì)稱，管線沿Y軸方向數(shù)值模擬結(jié)果可看作以Y=100為軸對(duì)稱分布，故下文僅取管線沿Y軸0～100坐標(biāo)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 基坑開挖對(duì)不同埋距管線的影響

選取5根直徑為600 mm的混凝土管，埋置深度均為3 m，與基坑邊緣的距離分別為10 m，20 m，30 m，40 m，50 m，其余條件相同。不同埋距下管線水平和豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

由圖3可知，管線的水平位移隨著管線和基坑之間的距離增大而逐漸減小，管線的最大水平位移為3.89 mm，出現(xiàn)在埋距10 m處。當(dāng)埋距大于40 m后，基坑開挖對(duì)管線影響顯著減小。在埋距50 m處，最大水平位移為0.393 mm。每根管線的最大水平位移均發(fā)生在基坑開挖面的中部位置。

圖3 不同埋距下管線水平位移數(shù)值模擬結(jié)果

由圖4可知，隨著管線和基坑之間距離增加，管線的豎向位移逐漸減小，埋距與管線豎向位移成反比。每根管線的豎向位移在靠近基坑開挖面中部位置處達(dá)到最大值。同一埋距處管線的水平和豎直方向的位移趨勢(shì)基本一致，在埋距10 m處管線最大豎向位移為6.5 mm。當(dāng)埋距大于40 m后，基坑開挖對(duì)管線影響較小。在埋距為50 m時(shí)，最大豎向位移為0.085 mm。

圖4 不同埋距下管線豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 基坑開挖對(duì)不同埋深管線的影響

分別選取埋深為3 m，5 m，7 m，9 m，11 m的5根直徑為600 mm的混凝土管線進(jìn)行分析，其中5根管線埋距均為5 m，其余條件相同。不同埋深下管線水平和豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

由圖5可知，管線在水平方向的位移隨著管線埋深增加逐漸增大。每根管線的最大水平位移均發(fā)生在基坑開挖面中部位置處。管線埋置深度為3 m時(shí)，管線最大水平位移為3.205 mm。埋置深度11 m時(shí)，管線最大水平位移為4.096 mm。

圖5 不同埋深下管線水平位移數(shù)值模擬結(jié)果

由圖6可知，埋深在一定范圍內(nèi)時(shí)，管線的豎向位移與管線埋深成正比。超過該范圍后，管線的豎向位移會(huì)隨著埋深的繼續(xù)加深而逐漸減小。該工況下管線最大豎向位移發(fā)生在埋深7 m處。豎向位移波動(dòng)范圍小于水平位移波動(dòng)范圍。

圖6 不同埋深下管線豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果

3.3 基坑開挖對(duì)不同管材管線的影響

選取4根管材不同，直徑均為600 mm，埋距均為5 m，其余條件相同的管線進(jìn)行分析。4種管材基本物理學(xué)參數(shù)見表4。不同管材下管線水平和豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

表4 4種管材基本物理學(xué)參數(shù)

由圖7可知，此工況下水平位移最大的為PVC管，最大位移達(dá)4.422 mm。鋼管的水平位移最小，最大位移為3.904 mm。每根管線在基坑開挖面中心位置處附近，水平位移最大。

圖7 不同管材下管線水平位移數(shù)值模擬結(jié)果

由圖8可知，管線最大和最小豎向位移分別出現(xiàn)在PVC管和鋼管上，位移量分別為9.237 mm和8.366 mm。各管線水平和豎直2個(gè)方向的變化規(guī)律基本相同，2個(gè)方向位移量均為PVC管>混凝土管>鑄鐵管>鋼管，剛好與4種管材的彈性模量成反比。這表明基坑開挖過程中管線材質(zhì)的彈性模量越小越容易受到土體變形的影響。

圖8 不同管材下管線豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果

與王洪德等[5]的研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在選取的2個(gè)工程同樣使用內(nèi)支撐體系時(shí)，不同地下管線的變形量存在差異，但是相同工況下管線的整體變形趨勢(shì)基本一致。而根據(jù)許成杰[6]的研究，在采用地連墻+錨桿支護(hù)的工程中，管線在不同埋深的工況下，豎向位移隨著埋深增加不斷減小，變化規(guī)律與本文不完全一致。雖然地下管線的變形較為復(fù)雜，實(shí)際工程中影響因素較多，但是，歐章煜等[7]對(duì)基坑開挖過程中土體變形規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，主要是維護(hù)體系不同使得管線與土體協(xié)調(diào)變形的規(guī)律存在部分差異。

4 結(jié)論

1)隨著埋距增加，管線的水平位移和豎向沉降逐漸減少。當(dāng)管線距離基坑大于40 m后，基坑開挖對(duì)管線的影響顯著減??；大于50 m后，影響基本可以忽略。

2)管線水平方向位移與管線埋深成反比，豎向位移會(huì)在一定的范圍內(nèi)隨著管線埋深增大而增大，超過此范圍后豎向位移隨著管線埋深增大而減小，是管-土協(xié)同變形的結(jié)果。水平位移波動(dòng)幅度達(dá)到27.8%，豎向位移波動(dòng)幅度為12%。水平位移波動(dòng)范圍較豎向位移波動(dòng)范圍大。

3)基坑開挖過程中不同材質(zhì)管線的水平與豎直位移趨勢(shì)基本一致，管線的彈性模量越大，其在管-土協(xié)同變形過程中的位移越小。

4)從管線的變形規(guī)律可知，管線的位移受深基坑開挖的空間效應(yīng)影響，在靠近基坑開挖面中部位置處管線受到的影響最大，需要重點(diǎn)防護(hù)，防止管線被破壞。