土巖復合地層中深基坑開挖對鄰近管線變形影響分析

焦 寧 丁建文 吉 鋒 郭 康 廖趙勝

(1東南大學交通學院，南京 211189)(2南水北調東線江蘇水源有限責任公司，南京 210029)(3杭州諧云科技有限公司，杭州 310023)

我國第1條地鐵線路建立于20世紀60年代，截止2021年7月，全國共計48座城市開通了軌道交通，線路共計246條，總運營里程達到了7 961 km，實際開行列車269×104列次[1].經(jīng)過多年的發(fā)展，軌道交通已成為城市公共交通中重要的組成部分.隨著城市化進程的不斷加快，軌道交通由于具有準時、速達、大運量等優(yōu)勢，逐漸成為解決人們出行的主要公共交通工具.

軌道交通工程建設面臨的主要技術難題為深基坑問題.深基坑開挖使得基坑周圍土體原有應力平衡狀態(tài)被打破，土體中應力重新分布，導致地面沉降和鄰近管線不均勻沉降.然而，地下管線抵抗變形的能力具有一定限度，如果管線變形量過大，易導致管線無法正常使用，甚至引起重大安全事故[2-3].

地鐵深基坑工程周圍的市政管線管道較多，管線變形分析控制一直以來都是地鐵深基坑的難點，主要研究方法包括理論分析[4-8]、現(xiàn)場實測[9-11]和數(shù)值模擬[12-17].

在理論分析方面，求解管線變形常采用彈性地基梁模型，其中Winkler地基模型應用最為廣泛，但其忽略了地基變形的連續(xù)性，因而許多研究在此基礎上提出了改良的雙參數(shù)模型.文獻[4]在Winkler地基模型的基礎上引入剪切模量，提出了Pasternak 模型，可以較好地反映出土體在垂直方向上的實際剪切效應.文獻[5]提出了一種考慮地基非線性變形、鄰近彈簧和隧道向上位移相互作用的非線性Pasternak地基模型(NPFM)，用于模擬與卸載應力相關的隧道-土相互作用.文獻[6]給出了一種基于改進Winkler模量的Winkler解，用于分析隧道開挖對管線變形的響應.文獻[7]提出了拋物型滑坡動力作用下的管道-土分離模型，并基于Winkler地基模型推導出該模型的封閉解析解.文獻[8]運用修正Vlasov模型中的迭代流程，計算出Pasternak模型的關鍵參數(shù)彈性系數(shù)與剪切系數(shù).

在現(xiàn)場實測方面，通過信息化施工監(jiān)測手段，可以及時了解施工過程中管線沉降等各種參數(shù)的動態(tài)變化，對優(yōu)化設計方案、發(fā)現(xiàn)不良變化后及時采取合理保護措施以預防事故發(fā)生具有重要意義.隨著電子信息技術的發(fā)展，許多學者對新型、綜合性基坑監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究.隋海波等[9]設計了一套基于BOTDR的新型基坑工程分布式光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)，可對管線的變形和泄漏進行監(jiān)測, 了解地下管線位移和變形動態(tài).齊紅升等[10]開發(fā)了一套深基坑智能聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測與預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了信息集中管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)實時讀取、自動存儲查詢、圖表自動繪制、自動預警報警等一系列功能.Wu等[11]提出了一種基于無人機圖像的基坑施工安全快速監(jiān)測與分析方法，通過局部變形分布來評價基坑的局部安全狀態(tài).

在數(shù)值模擬方面，杜金龍等[12]運用FLAC3D有限元軟件分析了不同管徑大小對管線位移及變形的影響.趙平等[13]利用 MIDAS-GTS 三維有限元軟件進行數(shù)值模擬，重點分析了臨近管線材質、管線位置的改變在基坑開挖過程中對管線位移的影響.Zhang等[14]建立了管道與基坑的三維模型，通過數(shù)值模擬分析研究了管道參數(shù)、基坑參數(shù)、土體參數(shù)和地下連續(xù)墻對管道應力、應變和變形的影響.馮曉臘等[15]采用有限元軟件PLAXIS進行基坑開挖數(shù)值模擬，分析了復雜條件下基坑支護結構體系及周邊環(huán)境的受力、變形情況.金祎等[16]運用PLAXIS有限元軟件模擬了基坑開挖引起大直徑管線位移的變化，分析了基坑開挖引起管線水平和豎向位移之間的差異變化.施有志等[17]采用考慮土體小應變剛度特性的有限元方法，針對基坑施工對鄰近管線的影響規(guī)律進行了參數(shù)分析，并劃分了基坑開挖對鄰近管線的影響分區(qū).

目前，學者們主要針對單一土質或巖質地層的深基坑工程進行研究.然而，我國許多地區(qū)存在上土下巖的復合地層，針對這類地層中深基坑開挖對管線變形的影響研究較為缺乏.本文以南京地鐵一號線北延工程二橋公園站車站深基坑為依托工程，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行管線變形分析，并結合實際工況，運用PLAXIS 3D有限元軟件進行數(shù)值模擬，探究在土巖復合地層中深基坑開挖對鄰近管線變形的影響，揭示基坑開挖深度、管線埋深等因素對管線變形的影響規(guī)律，并分析各因素的影響程度.

1 工程概況

南京地鐵一號線北延工程二橋公園站位于棲霞區(qū)太新路，沿太新路方向設置.車站起止里程為YK23+107.865～YK23+431.850，地下2層島式站臺，局部3層，站臺寬度為11.2 m，標準段寬度為22.5 m，總長度為325.5 m.其中，一期基坑長175.6 m，車站地形起伏較大，標準段底板埋深18.5～23.84 m.平行于太新路沿路中敷設有1根鋼筋混凝土材質的DN1200污水管線，埋深約3 m，距車站基坑水平距離約11.3 m；平行于太新路方向沿路邊埋設有1根PE材質的DN600給水管，在施工前遷改至基坑北側約6.5 m處.

根據(jù)工程地質條件、基坑開挖深度及周邊環(huán)境，二橋公園站車站基坑采用順作法總體施工方案，最大開挖深度為23.1 m.如圖1所示，基坑支護采用排樁+內支撐支護方式，圍護樁采用φ1 000 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁，C25混凝土，端頭井豎向設置4道支撐，標準段豎向設置3道支撐，首道為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐.明挖車站基坑所處地層為上軟下硬復合地層，上部為雜填土和黏土層，下部為強風化和中風化砂巖，車站基底大多位于中風化、微風化砂巖層，局部位于可塑～硬塑粉質黏土層.場地未見地表水，地下水主要為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水，水量較少.

圖1 基坑典型剖面圖(單位：m)

2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析

在基坑開挖過程中，針對基坑北側的DN600給水管、DN1200污水管2條管線布設并監(jiān)測了管線沉降監(jiān)測點位，因不具備開挖條件且無檢查井，采用間接布點方式在對應地表位置埋設間接觀測點.如圖2所示，點位間距約為10 m，依次命名為A01～A22、B01～B22.自2018-01-02基坑開挖開始監(jiān)測，2018-07-20主體結構施工完畢停止監(jiān)測，共計監(jiān)測200 d.為便于分析，以基坑長度方向的中軸線為x軸，以基坑西側邊及延長線為y軸，建立直角坐標軸，以管線沉降監(jiān)測點位的橫坐標x表示其距離基坑西側短邊的水平距離.選取所有監(jiān)測點位的最終沉降數(shù)據(jù)和特征點位整個基坑開挖過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制特征點位豎向位移時程曲線和管線最終豎向位移對比圖.

圖2 管線沉降監(jiān)測點位布設示意圖(單位：m)

圖3為2條管線的特征點位豎向位移時程曲線.由圖可見，監(jiān)測點位的豎向位移整體上呈下降趨勢，并且隨著基坑的開挖，沉降量逐漸增大.隨著監(jiān)測點位橫坐標的增大(即監(jiān)測點位越靠近基坑中部)，沉降量逐漸增大，但增量逐漸減小.對比2條管線相同橫坐標的監(jiān)測點位在相同時間的沉降數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，DN600給水管的沉降量均大于DN1200污水管.觀察數(shù)據(jù)整體變化情況可知，與后者相比，前者不同點位之間數(shù)據(jù)變化的一致性和穩(wěn)定性較弱，波動性較強.究其原因在于，前者管徑較小，與基坑的間距較小，埋深較淺，且埋設時間相對較短.

(a)DN600給水管

基坑開挖完成后管線的最終沉降見圖4.由圖可見，對于相同橫坐標的監(jiān)測點位，DN600給水管的最終沉降量均大于DN1200污水管，且越靠近基坑中部差值越大，最大差值為5.6 mm.隨著基坑的開挖，管線會發(fā)生不均勻沉降.基坑開挖完成后，管線最終呈現(xiàn)出中間沉降大、兩頭沉降小的凹槽形，橫坐標40～140 m范圍內監(jiān)測點位的沉降量相差較小，0～40 m和140～180 m范圍內監(jiān)測點位的最終沉降量則相差較大，這與文獻[12]的結論相符.由此可知，基坑端部20%開挖長度范圍內發(fā)生的不均勻沉降最大.在基坑開挖過程中，應在施工前對處于基坑端部范圍內的管線加以特別保護，常用方法包括改遷法、懸吊法、綁吊法、隔離法等.

圖4 基坑開挖完成后管線的最終沉降

選取基坑開挖對鄰近管線影響的典型案例[18-19]，與本工程的管線監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析.除基坑所處地層不同之外，3個案例的管線材質、管線埋深、管線與基坑間距等其他因素基本相同或相似.文獻[18]中基坑開挖深度均值為16 m，基坑開挖深度范圍內為以雜填土、素填土和粉質黏土為主的單一地層，管線的最大沉降量為基坑開挖深度均值的 0.083%.文獻[19]中基坑開挖深度均值為30.2 m，開挖深度范圍內為由填土、泥質黏土和粉質黏土組成的軟黏土地層，管線的最大沉降量為基坑開挖深度均值的0.298%.本文中土巖復合地層中管線的最大沉降量為基坑開挖深度均值的0.042%，明顯小于另外2個單一地層中管線的最大沉降量，僅為文獻[18]的50.6%，文獻[19]的14.1%.由此可知，與單一土層相比，在上土下巖的土巖復合地層中進行基坑開挖時鄰近管線的沉降變形相對較小.

3 數(shù)值模擬分析

3.1 三維數(shù)值分析模型

為進一步分析各因素對鄰近管線變形的影響規(guī)律，運用PLAXIS 3D軟件進行數(shù)值模擬分析.基于車站一期基坑的典型斷面，有限元模型中取基坑的開挖深度為20 m，寬為24 m.由于基坑兩邊對稱，為簡化計算，取1/2基坑長度進行建模，模型尺寸為160 m×100 m×40 m，模型的邊界條件為四周側面限制水平位移，底部設置固定約束.

表1 土體模型參數(shù)

表2 巖體模型參數(shù)

因數(shù)值建模與實際工程相比不可避免具有一定的差異性，因此假設地下管線滿足以下條件：地下管線連續(xù)、無原生缺陷和破損；不考慮管線內壓力及管線內流體對管線的作用，假設管線密度與該土層密度相近；將地下管線視為線單元，不考慮管線橫截面尺寸.

采用PLAXIS 3D軟件提供的梁單元模擬地下管線，參照DN1200污水管的實際參數(shù)，管線與基坑間距取12 m，埋深取3 m，管徑取1.2 m，慣性矩為0.109 m4，彈性模量為28 GPa2，密度為2.6 kg/m3.根據(jù)基坑模型參數(shù)和管線參數(shù)建立基坑和管線的三維模型，結果見圖5.

圖5 基坑及管線三維模型

3.2 數(shù)值模擬與實測結果對比驗證

圖6為數(shù)值模擬計算出的地表沉降云圖.由圖可知，地表沉降最大值位于基坑長邊兩側距基坑一定距離處，短邊一側地表沉降最大值即位于距基坑一定距離處，但地表沉降最大值要小于長邊兩側的地表沉降最大值，基坑陰角處的沉降明顯相對較小.

圖6 地表沉降云圖

將管線沉降監(jiān)測點位B01～B10的數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場實測值進行對比，結果見圖7.由圖可知，隨著距基坑短邊水平距離的增大，管線沉降的實測值和數(shù)值模擬計算值均逐漸增大，實測值與計算值總體相差不大.距基坑短邊10～30 m水平距離范圍內管線的沉降量計算值均略大于實測值，即計算值中管線的不均勻沉降現(xiàn)象相對更為明顯.總體而言，計算值與實測值變化規(guī)律基本一致，從而驗證了數(shù)值模型的可靠性.

圖7 DN1200污水管的數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比

3.3 單因素數(shù)值模擬分析

針對基坑開挖深度、管線埋深和管線與基坑間距3個因素進行單因素數(shù)值模擬.每個因素取5～6個水平，以管線豎向位移和水平位移為評價指標，對比分析其對管線變形的影響.根據(jù)數(shù)值模擬結果，以基坑西側端部為橫坐標原點，基坑長邊方向為橫坐標，豎向、水平位移為縱坐標，繪制管線位移變化曲線圖.規(guī)定距基坑短邊的水平距離沿基坑內側方向為正，外側方向為負; 管線沉降為負，隆起為正；向基坑內側的水平位移為正，外側為負.

3.3.1 基坑開挖深度

基坑開挖深度取5、10、15、20、25 m五個水平，分別針對各工況進行數(shù)值模擬，對比分析管線豎向位移和水平位移.圖8為不同開挖深度時管線豎向位移和水平位移隨距基坑短邊水平距離的變化曲線.

由圖8(a)可知，隨著基坑開挖深度的增大，管線沉降逐漸增大，但基坑西側端部坑外部分基本不變，距基坑短邊0～30 m水平距離范圍內管線的豎向位移變化較大，產生的不均勻沉降較大，可能會對管線造成撕扯、拉裂，因此應對該區(qū)域管線加以特別保護，這與實測數(shù)據(jù)分析結果基本一致.在基坑中部距基坑短邊30～80 m水平距離范圍內管線的豎向位移基本相同，管線最大豎向位移發(fā)生在此范圍內.

由圖8(b)可見，管線水平位移變化規(guī)律與豎向位移基本一致，在距基坑短邊30～80 m水平距離范圍內管線水平位移大小基本相同，而在基坑端角部管線水平位移變化差距較大，在水平位移與豎向位移的共同作用下管線會加速破壞.因此，應對此區(qū)域管線予以特別保護.

(a)豎向位移

3.3.2 管線與基坑間距

根據(jù)數(shù)值模擬試算結果可知，基坑開挖對坑外地表沉降影響范圍為22 m左右.考慮到本工程管線與基坑間距為12 m，因此管線與基坑的間距在0.4～1.2倍基坑開挖深度中取值, 取8、12、16、20、24 m五個水平進行數(shù)值模擬.

圖9為根據(jù)數(shù)值模擬結果繪制的不同管線與基坑間距下管線的豎向位移和水平位移對比圖.由圖9(a)可知，當管線與基坑間距大于16 m時，隨著距基坑短邊水平距離的增大，管線豎向位移大小基本不變，說明此時管線的不均勻豎向位移較小，對管線變形影響較小.當管線與基坑間距小于16 m時，管線豎向位移在基坑端部發(fā)生較明顯的突變，產生較大的不均勻豎向位移，可能會對管線造成拉裂破壞.由圖9(b)可以看出，管線水平位移變化規(guī)律與豎向位移基本一致.當管線與基坑間距小于16 m時，產生較大的不均勻位移，對管線的完整性產生較大影響.因此，當管線與基坑間距大于0.8倍基坑開挖深度時，管線不均勻位移較小，基坑開挖對管線的完整性影響較小.

(a)豎向位移

由此可知，當管線與基坑間距大于0.8倍基坑開挖深度時，基坑開挖對管線變形的影響較小.

3.3.3 管線埋深

管線埋深是管線變形的主要影響因素之一.考慮到本工程管線埋深為3 m，管線埋深取1、2、3、4、5 m，分別針對這5種工況進行數(shù)值模擬.

圖10為根據(jù)數(shù)值模擬結果繪制的不同管線埋深時管線的豎向位移和水平位移對比圖.由圖10(a)可看出，管線豎向不均勻位移主要發(fā)生在基坑端部0～30 m范圍內，并且隨著管線埋深的增大，管線豎向不均勻位移逐漸變小.當管線埋深為1 m時，管線的不均勻位移最大.由圖10(b)可知，管線水平位移與管線豎向位移變化規(guī)律基本一致，當管線埋深為1 m時，管線的不均勻水平位移最大，發(fā)生在基坑端部0～30 m范圍內.因此，為保證管線的完整性，防止管線發(fā)生不均勻位移而對管線產生破壞，管線埋深應不小于2 m.

(a)豎向位移

4 不同參數(shù)的敏感度分析

為定量分析管線與基坑間距、管線埋深、基坑開挖深度3個因素對管線變形的影響程度，采用相對敏感度分析法進行對比研究.

敏感性系數(shù)ηSR為輸出結果變化率與輸入變量變化率的比值，即

(1)

式中，x和xLR分別為輸入變量參考值和變化值；f(x)和f(xLR)分別為x和xLR對應的輸出結果.

敏感度ηSS的計算公式為

(2)

式中，max(xR)、min(xR)分別為參數(shù)變化取值的最大值和最小值.

通過將變化量值歸一化，可以將不同的敏感比進行無量綱化的比重衡量.表3給出了各因素對管線位移的敏感度.由表可知，對管線豎向位移和水平位移的敏感度由大到小均依次為管線與基坑間距、管線埋深、基坑開挖深度.管線與基坑間距對管線豎向位移的影響小于水平位移；管線埋深對管線豎向位移的影響大于水平位移；基坑開挖深度對兩者的影響基本相當.

表3 各因素對管線位移的敏感度

由此可知，在土巖復合地層中進行基坑開挖時，管線與基坑間距對管線變形的影響最大，管線埋深次之，基坑開挖深度影響相對較小.在基坑設計過程中應首先考慮基坑與管線的水平距離，其次在考慮施工成本的基礎上應盡量深埋管線.

5 結論

1)基坑開挖完成后，管線最終呈現(xiàn)出中間沉降大、兩頭沉降小的凹槽形，管線不均勻位移主要發(fā)生在基坑端角部20%開挖長度范圍內.建議在基坑開挖前應對基坑端角部的管線加以特別保護，以避免不均勻沉降對該處管線造成拉裂破壞.

2)隨著基坑開挖深度的增大，管線豎向位移和水平位移均逐漸增大，且管線豎向位移增加幅度相對較大.與單一土層相比，在上土下巖的土巖復合地層中進行基坑開挖對鄰近管線的沉降變形影響相對較小.

3)隨著管線與基坑間距的增大，管線豎向位移和水平位移均逐漸減小.當管線與基坑的間距小于0.8倍基坑開挖深度時，管線不均勻位移較大.

4)管線豎向和水平位移均隨管線埋深的增大而逐漸減小.為防止基坑開挖對管線產生較大的不均勻位移而對管線形成破壞，管線埋深應不小于2 m.

5)通過參數(shù)敏感性分析可知，在土巖復合地層中進行基坑開挖時，管線與基坑間距對管線變形影響最大，管線埋深次之，基坑開挖深度對管線變形影響相對較小.