郜新軍， 段鵬輝， 王 磊

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，人們面臨著城市用地趨于緊張的問題。近年來為解決這一問題，對地下空間的研究越來越多，其中基坑開挖施工力學(xué)效應(yīng)的研究是地下空間研究的重要一部分。在基坑開挖的過程中不可避免地會(huì)對周圍的土體產(chǎn)生擾動(dòng)，進(jìn)而影響周圍的建筑物和地下管線[1-5]。地下管線作為城市的生命線工程，和人們的生活息息相關(guān)。一旦地下管線受到損害，將直接面臨水、電、通信等各方面問題。因此在基坑開挖的過程中如何保護(hù)地下管線不受損害是需要研究的一個(gè)重要課題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對基坑開挖誘發(fā)管線變形進(jìn)行了眾多研究。姜崢[6]采用彈性地基梁模型推導(dǎo)了基坑開挖誘發(fā)的管線的變形和內(nèi)力解析式。 Yimsiri、Calvetti等[7-8]用試驗(yàn)研究和有限元對比分析了管線在深埋時(shí)水平和豎向的土與管線之間相互作用。高冬冬等[9]研究了不同土體參數(shù)對地下管線的影響。王磊、程濤等[10-11]基于彈塑性平面應(yīng)變有限元方法，分析了深基坑開挖過程中鄰近管線的位移變化規(guī)律，并分析了管線的保護(hù)措施。施有志等[12-13]以廈門地鐵1號(hào)線某車站深基坑為依托，研究了深基坑施工對鄰近管線影響程度。張陳蓉等[14]基于位移控制理論，對板式支護(hù)體系由于基坑開挖而引起的周邊自由土體位移場的分布規(guī)律進(jìn)行了探討,在此基礎(chǔ)上，基于地下管線的自身承受能力，提出了基坑開挖對管線保護(hù)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。王立峰等[15]以地鐵車站深基坑為工程背景，收集整理了多個(gè)地鐵基坑管線沉降變形的現(xiàn)場實(shí)測資料，從統(tǒng)計(jì)角度探討了地鐵深基坑開挖對周邊管線變形的影響規(guī)律。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者針對基坑開挖對管線的變形影響進(jìn)行了大量的研究，但目前的研究中解析公式由于做了較多的簡化，在實(shí)際應(yīng)用中仍有待檢驗(yàn); 現(xiàn)場的實(shí)測研究雖能較為客觀地反映管線的變形，但不能用于預(yù)測變形以便于提前采取保護(hù)措施；同時(shí)，不同地區(qū)地質(zhì)條件下基坑開挖對管線的變形影響也有較大的不同。因此，筆者以鄭州某基坑項(xiàng)目為例，通過ABAQUS三維有限元分析軟件模擬，對開挖過程中管線的變形特征進(jìn)行了計(jì)算分析及評價(jià)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析了不同的加固措施對管線變形的影響。

1 工程概況

1.1 基坑設(shè)計(jì)概況

擬建基坑工程場地位于鄭州市管城區(qū)，基坑開挖深度為自然地面下15.90 m?；悠矫娉示匦?，長度約80.50 m，寬度約49.25 m。在基坑南側(cè)1-1剖面距基坑邊界線約2.80 m處有一條埋深7.00 m、直徑1.60 m的污水管?；釉O(shè)計(jì)如下：基坑周邊剖面均采用上部微型樁+土釘墻復(fù)合支護(hù)，下部排樁支護(hù)體系，樁長均為24 m，1-1剖面及角撐支撐樁樁徑為1.0 m，其余剖面樁徑為0.8 m，樁間距均為1.5 m。同時(shí)，1-1剖面分別和2-2剖面及4-4剖面通過型鋼角撐連接；2-2剖面與3-3剖面也通過型鋼角撐連接，支護(hù)平面如圖1所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面1-1與管線相對位置見圖2。

圖1 基坑支護(hù)平面圖(mm)Figure 1 Supporting structure plan (mm)

1.2 地質(zhì)水文情況

擬建場地為黃河沖積平原，地層及土層物理性質(zhì)見表1。地下水位位于基底以下，不考慮降水。

2 三維有限元模型

2.1 三維有限元模型的建立

筆者結(jié)合工程地質(zhì)條件及基坑周圍現(xiàn)狀，主要考慮基坑南側(cè)1-1剖面及相鄰側(cè)2-2、4-4剖面處開挖對地下管線的影響。計(jì)算分析中采用有限元軟件ABAQUS對基坑開挖施工過程進(jìn)行數(shù)值建模。數(shù)值建模中，模型尺寸取119.25 m×60 m×55m(X×Y×Z)，計(jì)算模型底部固定，限制底部土體單元的豎向和橫向位移；模型前后、左右分別限制X、Z方向的位移；模型頂部采用自由邊界。模型整體施加重力荷載，管線、排樁等構(gòu)件在各自生成的分析步中施加；鋼支撐施加的預(yù)應(yīng)力，通過在inp中編輯關(guān)鍵字*initial conditions，type=stress語句施加；基坑周邊施加20 kPa道路車輛超載，通過面荷載形式施加；土體選用M-C模型，模擬地基的彈塑性變形和應(yīng)力應(yīng)變；排樁、污水管等采用線彈性單元。支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2，有限元模型見圖3所示。

圖2 基坑支護(hù)1-1剖面圖(mm)Figure 2 Foundation pit 1-1 profile (mm)

表1 土層物理參數(shù)Table 1 Soil physical parameters

2.2 基坑開挖施工過程模擬

本模型主要計(jì)算分析基坑開挖對污水管道變形的影響，基坑開挖分4次開挖:第一次開挖至4.995 m，第二次開挖至8.999 m，第三次開挖至12.499 m，第四次開挖至坑底15.900 m。整個(gè)模擬過程共分為9步。具體計(jì)算步驟如表3所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)和管線參數(shù)Table 2 Support structure and pipeline parameters

圖3 有限元計(jì)算模型Figure 3 Finite element calculation model

3 基坑開挖對鄰近管線變形及加固效果對比分析

3.1 基坑開挖施工對鄰近管線變形影響分析

圖4為基坑開挖引起的管線水平及豎向變形圖，由圖4可知，隨著開挖深度的不斷加深，管線的水平位移和豎向位移也在不斷增大，且最大值均出現(xiàn)在管線的中間位置，對應(yīng)基坑開挖處的中間位置；管線的最大水平位移為20.54 mm，最大豎向位移為9.76 mm。根據(jù)管線所屬方對管線變形規(guī)定，要求最大水平位移小于15 mm，豎向最大位移小于8.0 mm，因此需要對管線進(jìn)行加固處理。

表3 計(jì)算步驟表Table 3 Calculation steps

圖4 管線水平位移和豎向位移曲線Figure 4 Horizontal and vertical displacement curves of pipeline

3.2 基坑開挖施工對鄰近加固后管線變形影響對比分析

本節(jié)分別采用局部注漿、微型樁及二者聯(lián)合3種加固方法對管線進(jìn)行開挖前預(yù)加固，計(jì)算分析不同加固方式下基坑開挖對管線的變形影響。

在進(jìn)行局部注漿加固計(jì)算時(shí)，是在第2.1節(jié)基本數(shù)值模型基礎(chǔ)上，在開挖步驟之前，把相應(yīng)的加固區(qū)域的土體材料替換為表4中加固區(qū)的注漿加固體材料，即通過改變土體的力學(xué)性能來實(shí)現(xiàn)注漿加固的目的；同樣，在需要加固的區(qū)域在開挖步驟之前事先打入微型樁，來實(shí)現(xiàn)微型樁加固的作用。微型樁、注漿加固體材料的物理參數(shù)見表4。

表4 加固材料物理參數(shù)Table 4 Physical parameters of reinforcement material

在ABAQUS軟件中進(jìn)行注漿加固模擬時(shí)，是利用軟件中的單元追蹤和單元生死技術(shù)來模擬注漿加固的過程。首先選定需要加固的土體區(qū)域B0×H0(其中B0為加固總寬度，H0為加固區(qū)的深度)，通過Elcopy命令把該加固區(qū)域生成追蹤單元，將該單元和注漿加固時(shí)注漿加固體材料單元特性設(shè)置成完全一致。在注漿模擬時(shí)把這個(gè)區(qū)域的土體單元?dú)⑺?，同時(shí)激活這個(gè)區(qū)域的注漿加固體材料單元，從而實(shí)現(xiàn)注漿加固過程的模擬。

3.2.1 局部注漿加固法

對管線位于基坑開挖范圍內(nèi)的部分，沿管線四周進(jìn)行注漿加固，加固范圍為B0×H0(其中B0=B+B1，B為管線南側(cè)遠(yuǎn)離基坑方向加固寬度，B1為管線北側(cè)靠近基坑方向加固寬度，H0在本算例中取2.5 m)。由于場地受限，B1為2.8 m，故通過改變管線南側(cè)B值來增大加固區(qū)域水平方向面積，在本例中，B值依次變化取值為5、10、15、20 m。

圖5為不同注漿加固寬度下的管線變形曲線圖。由圖5(a)知，當(dāng)加固寬度B為5、10、15、20 m時(shí),管線的最大水平位移分別為19.92、17.97、16.75、16.11 mm，較未加固時(shí)分別下降了3.02%、12.51%、18.45%、21.57%；由圖5(b)知，當(dāng)加固寬度B為5、10、15、20 m時(shí)，管線最大豎向位移分別為9.22、9.19、9.18、9.18 mm，較未加固時(shí)分別下降了5.53%、5.84%、5.94%、5.94%。結(jié)果表明，注漿加固在一定程度上可減小管線的水平位移和豎向位移，隨著加固區(qū)增大，管線的最大水平位移減小顯著，但對最大豎向位移影響不大。

圖5 不同加固寬度下管線的變形曲線Figure 5 Deformation curve of pipeline under different reinforcement widths

3.2.2 微型樁加固法

在管線兩側(cè)2 m處打入微型樁加固，微型樁長L為8.00 m，間距1.5 m。依次改變微型樁的長度L分別為12、16、20 m。

圖6為不同樁長情況下管線變形曲線圖，由圖6(a)知，當(dāng)L為8 m時(shí)管線最大豎向位移為11.71 mm，與未加固相比基本沒有變化；當(dāng)L為12、16、20 m時(shí),管線最大豎向位移分別為7.86、6.27、6.29 mm，較未加固時(shí)分別下降19.47%、35.76%、35.55%；由圖6(b)知，用微型樁加固時(shí)對管線的水平位移產(chǎn)生很小的影響，且由于微型樁施工過程中會(huì)對管線造成影響，管線水平位移增加1 mm左右。因此，采用微型樁加固可以有效地抑制管線豎向位移，隨著微型樁長度L值增大，管線豎向位移不斷減小且減小顯著；但微型樁加固對抑制管線的水平位移沒有作用。

圖6 不同微型樁長度下管線的變形曲線Figure 6 Deformation curve of pipeline under different length of miniature pile

3.2.3 注漿+微型樁聯(lián)合加固法

采用注漿+微型樁聯(lián)合方法對管線進(jìn)行加固,其中注漿加固區(qū)面積B×H=15.0 m×2.5 m，且在這一段區(qū)域內(nèi)用L=15 m微型樁加固，樁間距為1.5 m。

由圖7知，當(dāng)沿管線用注漿+微型樁加固時(shí)，管線最大水平位移為13.82 mm，與未加固相比下降了21.21%；最大豎向位移為8.25 mm，與未加固相比下降了15.47%，且管線最大豎向位移發(fā)生在管線兩端，因此，注漿+微型樁加固對管線的水平位移和豎向位移都有很好的控制作用。針對該工程所屬方對變形控制的要求，可采用該方法對管線進(jìn)行加固處理。

圖7 聯(lián)合加固下管線的水平位移和豎向位移曲線Figure 7 Horizontal and vertical displacement curves of pipeline under joint reinforcement

4 結(jié)論

基于三維有限元方法，分析了基坑開挖對鄰近管線的變形影響，以及針對減小變形采取的3種預(yù)加固措施進(jìn)行了計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：

(1)隨著基坑開挖深度的不斷加深，管線的水平位移和豎向位移也在不斷增大，且最大值均出現(xiàn)在管線的中間位置，對應(yīng)基坑開挖處的中間位置。

(2)注漿加固在一定程度上可減小管線的水平位移和豎向位移，隨著加固區(qū)增大，管線的最大水平位移減小顯著，可以降低21.57%左右；但對最大豎向位移影響不大，最大只能降低5.94%。

(3)微型樁法對管線豎向位移有很好的抑制作用，最大可以降低35.76%，對管線水平位移基本沒有影響。此種加固方式適用于管線豎向位移很大，需要抑制豎向位移的情況。

(4)注漿法+微型樁法能同時(shí)減小管線的水平和豎向位移，較加固前水平位移降低了21.21%；豎向位移下降了15.47%，對管線起到很好的保護(hù)效果。

(5)在對管線進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)根據(jù)管線變形控制要求，考慮加固對管線影響的特點(diǎn)，選取合適的加固措施，達(dá)到事半功倍的效果。