基坑開(kāi)挖對(duì)下方臨近大直徑管線豎向變形的影響研究

陸龍龍LU Long-long；蘆文文LU Wen-wen

（山東公用建設(shè)集團(tuán)有限公司，濟(jì)寧 272000）

0 引言

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，為了滿足人們的使用需求，地下綜合管廊、地下管線的埋設(shè)逐漸增加。在基坑開(kāi)挖的施工過(guò)程中，不可避免地會(huì)對(duì)周圍的管線設(shè)施造成影響，當(dāng)管線受到影響產(chǎn)生的變形達(dá)到一定程度時(shí)，將會(huì)影響管線的正常運(yùn)行，甚至?xí)a(chǎn)生重大事故[1]。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)基坑開(kāi)挖引起的臨近管線變形進(jìn)行了研究，Zhang等[2]建立管道和基坑的三維模型，研究了基坑開(kāi)挖下管道變形的變化規(guī)律和管線參數(shù)、基坑參數(shù)、土體參數(shù)和地下連續(xù)墻對(duì)管線應(yīng)力、應(yīng)變和變形的影響。Han等[3]基于有限元原理建立了管道-土體相互作用模型，對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)管道的變形進(jìn)行了分析，研究了平行距離、管道參數(shù)和基坑參數(shù)對(duì)管道變形的影響規(guī)律。黃沛等[4]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了地下連續(xù)墻施工和基坑分區(qū)開(kāi)挖對(duì)鄰近管線的影響。焦寧等[5]通過(guò)基坑開(kāi)挖的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，探究了土巖復(fù)合地層中深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近管線變形的影響規(guī)律。饒文昌[6]通過(guò)建立有限元模型，對(duì)基坑開(kāi)挖引起的臨近管道變形及受力響應(yīng)進(jìn)行了研究。郭延輝等[7]對(duì)現(xiàn)有基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案下基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)、管道受力和位移等進(jìn)行分析，研究了深基坑開(kāi)挖對(duì)臨近既有高壓天然氣管道的影響。黃斌等[8]研究提出并設(shè)計(jì)了在基坑開(kāi)挖期間，深基坑內(nèi)220kV電力管廊原位懸吊保護(hù)的安全穩(wěn)定應(yīng)對(duì)控制措施，從而保證基坑和電力管廊的安全。吳崢等[9]通過(guò)建立三維有限元模型，分析了管線周圍土體注漿加固的作用，同時(shí)研究了改變管線與基坑的夾角引起管線豎向位移的變化規(guī)律。徐長(zhǎng)節(jié)等[10]推導(dǎo)了砂土地層單井降水引起鄰近管線變形的解析解，深入分析了管線受力變形的影響參數(shù)。徐宏增等[11]研究了由狹長(zhǎng)型的市政管廊基坑開(kāi)挖引起鄰近管線沿長(zhǎng)度方向的位移變化，探討了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下的基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近大直徑污水管線的影響規(guī)律。郜新軍等[12]分析了深基坑開(kāi)挖過(guò)程中鄰近管線的位移變化規(guī)律并對(duì)其安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，提出了注漿法、微型樁法及二者聯(lián)合的3種管線加固措施，并對(duì)比分析了3種加固措施的加固效果。何小龍等[13]基于Pasternak彈性地基梁理論，引入管-土相互分離計(jì)算模型，推導(dǎo)了基坑開(kāi)挖引起的鄰近管線變形計(jì)算解析解。

綜上所述，現(xiàn)有研究對(duì)于基坑施工引起的臨近管線變形的研究較為豐富，但針對(duì)基坑開(kāi)挖引起的下方大直徑管線變形的研究較少。本文依托濟(jì)寧經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)供熱管網(wǎng)工程，對(duì)基坑開(kāi)挖引起的下方臨近管線豎向變形影響問(wèn)題開(kāi)展研究，通過(guò)建立三維有限元模型，分析施工全過(guò)程下基坑對(duì)下方臨近大直徑管線豎向變形的影響。

1 工程概況

本文依托濟(jì)寧經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)供熱管網(wǎng)工程基坑進(jìn)行研究。工程南起嘉合路南段，于鴻順在建工地東側(cè)分流，一條沿嘉合路向北至吉祥路北側(cè)，一條穿鴻順在建工地和神力鎖具有限公司，過(guò)嘉誠(chéng)路后向北至吉祥路北側(cè)?；酉路接蠨N2000的污水管道穿過(guò)，基坑與管道正交，基坑底部距離管道約1m，污水管道軸線之間距離為4m。基坑深度5m，采用復(fù)合土釘墻支護(hù)開(kāi)挖，墻面坡比為1:0.2。土釘采用18mm直徑鋼筋，長(zhǎng)度10m，基坑典型剖面圖如圖1所示。

圖1 基坑典型剖面圖

由于基坑位于管線正上方，基坑內(nèi)土體卸荷容易引起管線上浮。工程設(shè)計(jì)中考慮對(duì)污水管兩側(cè)3m、管頂0.5m范圍內(nèi)進(jìn)行注漿加固土體，加固土體28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.8MPa。基坑所處地層土體以黏土和粉土為主，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層的物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模型分析

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX軟件建立基坑三維模型，模型尺寸為40m×40m×25m，基坑的數(shù)值模型如圖2所示。模型邊界條件為四周限制水平位移，底部設(shè)置固定約束。土體采用摩爾庫(kù)倫模型，土釘墻的錨桿和支護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用桁架單元和板單元模擬，使用彈性模型，各結(jié)構(gòu)單元的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

圖2 數(shù)值模型圖

表2 結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

2.2 管線位移

設(shè)基坑開(kāi)挖部分與管線中線的距離為L(zhǎng)，圖2為基坑下方管線的豎向變形圖，可以發(fā)現(xiàn)隨著基坑開(kāi)挖部分與下方管線距離的減小，管線上方的土體荷載逐漸減小，管線的豎向變形逐漸增加，最終管線的豎向變形表現(xiàn)為中間大、兩側(cè)小的近似正態(tài)分布曲線，峰值出現(xiàn)在基坑的中心下方。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，在距離管道較遠(yuǎn)時(shí)，管道變形極小，隨著開(kāi)挖距離的增加，開(kāi)挖部分距離管道的距離越近，管道變形的增長(zhǎng)速率越快。

圖3 基坑下方管線的豎向變形圖

2.3 管線豎向變形影響因素

基坑開(kāi)挖深度對(duì)管線豎向變形的影響如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管線埋深不變時(shí)，基坑不同開(kāi)挖深度引起的管線豎向變形規(guī)律一致，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，管線的豎向變形量隨之增加，且在基坑開(kāi)挖深度增加的初始階段，管線變形量增加較大。

圖4 基坑開(kāi)挖深度對(duì)管線豎向變形的影響

基坑開(kāi)挖時(shí)管線埋深對(duì)管線豎向變形的影響如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度不變時(shí)，管線不同埋深對(duì)管線豎向變形規(guī)律無(wú)影響，隨著管線埋深的增加，管線的豎向變形量逐漸減小，變化幅度較為均勻。

圖5 管線埋深對(duì)管線豎向變形的影響

為了確定管線與基坑夾角對(duì)管線豎向變形的影響，本文分別對(duì)管線軸線與基坑中線之間不同夾角角度條件下管線的豎向變形進(jìn)行了計(jì)算，管線軸線與基坑中線夾角角度對(duì)管線豎向變形的影響如圖6所示。當(dāng)夾角為0°時(shí)，管線的豎向變形最大，然后隨著夾角角度的增大，管線豎向變形量逐漸減小，當(dāng)夾角為90°時(shí)，管線的豎向變形最小。且在0°～30°時(shí)管線豎向變形值減小速度較慢，30°～90°時(shí)管線豎向變形值減小速度變大。在選定實(shí)際工程方案時(shí)，應(yīng)盡量使用管線軸線與基坑中線之間夾角角度較大的方案，這樣可以有效減小管線的豎向變形。

圖6 管線與基坑夾角對(duì)管線最大豎向變形的影響

3 結(jié)論

本文依托濟(jì)寧經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)供熱管網(wǎng)工程，對(duì)基坑開(kāi)挖引起的下方臨近管線豎向變形影響問(wèn)題開(kāi)展研究。采用Midas GTS有限元分析軟件對(duì)基坑施工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，分析施工全過(guò)程下基坑對(duì)下方臨近管線豎向變形的影響。

①隨著基坑開(kāi)挖部分與下方管線距離的減小，管線上方的土體荷載逐漸減小，管線的豎向變形逐漸增加，最終管線的豎向變形表現(xiàn)為中間大、兩側(cè)小的近似正態(tài)分布曲線，峰值出現(xiàn)在基坑的中心下方。

②在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，在距離管道較遠(yuǎn)時(shí)，管道變形極小，隨著開(kāi)挖距離的增加，開(kāi)挖部分距離管道的距離越近，管道變形的增長(zhǎng)速率越快。隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，管線的豎向變形量隨之增加。隨著管線埋深的增加，管線的豎向變形量逐漸減小。

③當(dāng)管線軸線與基坑中線之間夾角為0°時(shí)，管線的豎向變形最大，然后隨著夾角角度的增大，管線豎向變形量逐漸減小，當(dāng)夾角為90°時(shí)，管線的豎向變形最小。且在0°～30°時(shí)管線豎向變形值減小速度較慢，30°～90°時(shí)管線豎向變形值減小速度變大。在選定實(shí)際工程方案時(shí)，應(yīng)盡量使用管線軸線與基坑中線之間夾角角度較大的方案，這樣可以有效減小管線的豎向變形。