基坑開挖對臨近輸水管道影響的數(shù)值模擬研究

章致遠(yuǎn)

(江西省高安市水利局，江西高安，330800)

0 前言

基坑工程越來越多地運用于城市建設(shè)中，并大量開發(fā)和利用了地下空間，對此學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。劉爭國等[1]利用MIDAS數(shù)值模擬軟件，對8種不同工況的基坑施工進(jìn)行了模擬，研究結(jié)果表明：在不同的工況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移不同，應(yīng)根據(jù)施工要求選擇合理的施工方案；周政等[2]利用數(shù)值模擬軟件，分析了基坑在附加荷載作用下的變形，并提出相應(yīng)的變形治理方案，治理方案結(jié)果表明：距離基坑越遠(yuǎn)，角部效應(yīng)越?。缓?lián)銳[3]在基坑設(shè)計方案中提出了樁錨和土釘聯(lián)合支護(hù)方法，通過實踐可知此方法更加經(jīng)濟(jì)合理；劉金濤[4]結(jié)合基坑施工的實際情況，對深基坑支護(hù)施工技術(shù)具體應(yīng)用進(jìn)行分析，以提升深基坑支護(hù)施工水平；王振楠等[5]依托某新建地鐵基坑工程，采用三維數(shù)值模擬方法和現(xiàn)場監(jiān)測方案，分析了高架橋墩響應(yīng)位移問題，研究結(jié)果表明：基坑降水開挖過程中，受卸效應(yīng)會影響橋墩基礎(chǔ)；周士杰[6]認(rèn)為SMW工法樁使得基坑墻體連續(xù)完整，并且具有良好的抗?jié)B性；林煜焜等[7]認(rèn)為當(dāng)不具備錨索施工條件時，可利用筏板底座與腰梁受力，以解決了場地限制問題；彭戡[8]針對基坑超厚砂層潛水含水層問題，采取地下水控制措施，實踐結(jié)果表明：此措施安全經(jīng)濟(jì)；王盼[9]結(jié)合基坑開挖面積大，地下水豐富等問題，提出采用地下連續(xù)墻加固支護(hù)形式，施工結(jié)果表明：此形式對周圍環(huán)境擾動小；姜正興[10]分析了基坑建設(shè)中的項目管理問題，分析結(jié)果表明：基坑監(jiān)理管理能夠明顯的提高深基坑的施工質(zhì)量。

然而以上的成果并沒有研究基坑穿越輸水管道時，基坑施工對輸水管道和周圍巖土體位移的影響，因此，本文結(jié)合實際基坑開挖工程，利用MIDAS GTS軟件還原基坑開挖的全過程，并對基坑周圍巖土體和輸水管道的位移、塑性區(qū)和安全系數(shù)進(jìn)行分析，以評估此次基坑開挖成功與否。

1 工程概況

基坑位于江西省南昌市，基坑開挖長度為32m，高度為24m，如圖1所示，經(jīng)過地質(zhì)勘察可知，地層主要分為三層，分別為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和軟巖，選擇的施工區(qū)域長度為220m，施工難度為基坑右側(cè)14m處存在一條輸水管道，此管道存在于風(fēng)化巖區(qū)域，此輸水管道建成后一個月便開始基坑的開挖。因管道主要起著為當(dāng)?shù)鼐用褫斔淖饔?，因此，基坑的施工切不可以對管道造成位移或受力的不良影響?/p>

圖1 基坑平面(單位：m)

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

為保證基坑施工不對輸水管道造成不良影響，基坑選擇開挖次數(shù)為5次，除了第4次開挖深度為4m以外，其余開挖深度為5m。第4次開挖處正處于地下水位線處，因此，第4次開挖深度選擇為4m。數(shù)值模擬中巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

基坑開挖后隨即對其進(jìn)行支撐加固，因為輸水管道在基坑右側(cè)，因此右側(cè)區(qū)域是本文考慮的重點，同時對輸水管道區(qū)域的塑性區(qū)和基坑的安全系數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 豎向位移

對基坑的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測云圖如圖2-圖6。

圖2 第一次開挖(單位：m)

如圖2所示，基坑第一次開挖后，豎向位移最大處位于基坑右側(cè)約5m處，最大位移為0.76mm，且所占巖土體范圍為0.3%，此位移不超過1mm，由于所占比例不大，幾乎可以忽略此位移的影響，約85%的巖土體幾乎沒有位移。

圖3 第二次開挖(單位：m)

如圖3所示，基坑第二次開挖后，豎向位移最大處位于基坑右側(cè)約5m處，最大位移為1.8mm，且所占巖土體范圍為0.2%，此位移不超過2mm，由于所占比例不大，幾乎可以忽略此位移的影響，約78%的巖土體幾乎沒有位移。

圖4 第三次開挖(單位：m)

如圖4所示，基坑第三次開挖后，豎向位移最大處位于基坑右側(cè)約5m處，最大位移為1.9mm，且所占巖土體范圍為0.2%，此位移不超過2mm，由于所占比例不大，幾乎可以忽略此位移的影響，約72%的巖土體幾乎沒有位移。

圖5 第四次開挖(單位：m)

如圖5所示，基坑第四次開挖后，發(fā)現(xiàn)地下水，及時對地下水進(jìn)行了處理，處理后豎向位移最大處位于基坑右側(cè)約5m處，最大位移為1.7mm，由于所占巖土體范圍為0.2%，此位移不超過2mm，且所占比例不大，幾乎可以忽略此位移的影響，約66%的巖土體幾乎沒有位移。此豎向位移結(jié)果表明基坑排水措施是成功的。

圖6 第五次開挖(單位：m)

如圖6所示，基坑第五次開挖后，豎向位移最大處位于基坑右側(cè)約5m處，最大位移為4.3mm，且所占巖土體范圍為2%，此位移不超過6mm，由于所占比例不大，幾乎可以忽略此位移的影響，約54%的巖土體幾乎沒有位移。

第五次開挖后豎向位移明顯增加，原因有兩種，一種是前四次開挖豎向位移累計的結(jié)果，第二種是基坑地下水被排出后造成的影響。此次模擬結(jié)果同時也說明排水后對基坑周圍巖土體的位移存在一定的影響。

2.3 塑性區(qū)和安全系數(shù)分析

基坑開挖以后，通過數(shù)值模擬對基坑周圍巖土體的塑性區(qū)進(jìn)行研究，塑性區(qū)云圖如圖7所示。

圖7 基坑開挖后塑性區(qū)

如圖7所示，基坑開挖后塑性區(qū)主要集中于輸水管道區(qū)域，此部分區(qū)域所占比例約為5%，此區(qū)域范圍較小，計算安全系數(shù)可知此基坑開挖后安全系數(shù)為1.8，說明基坑開挖施工是成功的。

塑性區(qū)的判別是MOHR破壞準(zhǔn)則，即在τ-σ曲線中，若巖土體的受力達(dá)到摩爾應(yīng)力圓區(qū)域，便可認(rèn)為巖土體達(dá)到塑性破壞。管道開挖后，管道周圍必定會出現(xiàn)應(yīng)力集中，同時施工單位為趕工期，未等管道周圍的地應(yīng)力達(dá)到平衡，便開始基坑的開挖，導(dǎo)致了管道周圍巖土體出現(xiàn)塑性區(qū)。但是塑性區(qū)并未貫通，因此，可認(rèn)為基坑的施工并未對管道造成不良影響。

3 結(jié)論

基坑開挖區(qū)域附近因存在輸水管道，為保證基坑開挖對輸水管道不造成不良影響，基坑采用了5次開挖，并通過數(shù)值模擬對基坑周圍的巖土體進(jìn)行豎向位移監(jiān)測、塑性區(qū)監(jiān)測和安全系數(shù)分析，研究結(jié)論如下：

(1)基坑前三次開挖后，豎向位移均控制在合理范圍內(nèi)，通過分析可知，前三次開挖是合理的。

(2)基坑第四次開挖涉及排水，此次開挖后豎向位移也控制在合理范圍內(nèi)，但是第五次開挖后，豎向位移明顯增大，說明排水確實會對基坑周圍巖土體的豎向位移造成一定的影響。

(3)通過基坑開挖后的塑性區(qū)和安全系數(shù)分析可知，基坑開挖并沒有造成輸水管道塑性區(qū)增大，安全系數(shù)為1.8也表明此次基坑開挖是滿足工程要求的。

(4)以上的研究可供基坑開挖較小、地下水位較淺的基坑施工參考，對于基坑開挖面積較大、深度較深的基坑，尚有待進(jìn)一步研究。