陳朝陽(yáng)，趙鵬程，趙勇，汪志強(qiáng)，卜旭東

（1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著城市化的快速發(fā)展，在城市中心修建地下隧道會(huì)不可避免與城市既有供水管線(xiàn)、燃?xì)夤芫€(xiàn)等相交叉，地下管網(wǎng)素有“城市生命線(xiàn)”的美稱(chēng)，常出現(xiàn)在人口密集、場(chǎng)地狹小的環(huán)境中，在如此復(fù)雜的條件下進(jìn)行深大基坑作業(yè)，基坑開(kāi)挖過(guò)程勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致周?chē)芫€(xiàn)安全受到影響。采用明挖法修建的地下隧道遇到周邊有市政管線(xiàn)時(shí)，在基坑開(kāi)挖前可以遷改的已經(jīng)遷改完成，但某些管線(xiàn)由于條件限制不能遷改的同時(shí)須保證其正常使用的功能，因此如何做好市政管線(xiàn)的保護(hù)工作是此類(lèi)問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

目前針對(duì)市政工程中管線(xiàn)保護(hù)的主要措施有：隔離法、懸吊法、支撐法、卸載保護(hù)法、臨時(shí)遷拆法等幾種方法[1]，針對(duì)相關(guān)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者也做了大量的研究。韋凱等[2]研究了盾構(gòu)隧道下穿管線(xiàn)施工過(guò)程中不同應(yīng)力釋放率和不同掘進(jìn)面推力對(duì)地下管線(xiàn)沉降的影響。蔡?hào)|明等[3]對(duì)廣渠路東延工程中橫跨基坑的雨水管線(xiàn)進(jìn)行懸吊保護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)該方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，該設(shè)計(jì)方案可為類(lèi)似工程提供參考。郜新軍等[4]基于有限元分析方法，建立了基坑及鄰近管線(xiàn)的三維整體數(shù)值模型，分析了深基坑開(kāi)挖過(guò)程中鄰近管線(xiàn)的位移變化規(guī)律并對(duì)其安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。楊佳春[5]利用有限元軟件對(duì)基坑周邊管線(xiàn)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，歸納總結(jié)了基坑開(kāi)挖對(duì)不同管線(xiàn)造成的位移變形特點(diǎn)，為隧道基坑周邊管線(xiàn)的合理優(yōu)化提供了依據(jù)。李大勇等[6]建立了同時(shí)考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土體與地下管線(xiàn)變形耦合作用的三維有限元分析模型，對(duì)地下管線(xiàn)保護(hù)措施的幾種方法進(jìn)行了數(shù)值分析。金祎等[7]運(yùn)用有限元軟件模擬基坑開(kāi)挖引起大直徑管線(xiàn)位移的變化分析了基坑開(kāi)挖引起的管線(xiàn)水平位移的豎向位移規(guī)律。

本文以蘇州永方路和春申湖路交口隧道基坑開(kāi)挖工程為背景，結(jié)合基坑開(kāi)挖和供水管線(xiàn)懸吊保護(hù)施工工藝，使用Midas/GTS軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中其圍護(hù)結(jié)構(gòu)和供水管線(xiàn)的變形及受力情況，為該基坑支護(hù)及管線(xiàn)保護(hù)方案的設(shè)計(jì)及施工的合理性提供了依據(jù)。

2 工程概況

永方路節(jié)點(diǎn)隧道沿春申湖路東西走向，主線(xiàn)采用兩孔一管廊形式，行車(chē)孔凈寬13.1m，中間管廊凈寬1.8m，中隔墻厚度0.5m。該節(jié)點(diǎn)結(jié)合交通、其他管線(xiàn)遷改設(shè)計(jì)方案，將給水管所在的永方路與春申湖路交叉口作為一個(gè)獨(dú)立基坑施工，基坑設(shè)計(jì)長(zhǎng)度約38m，基坑寬度30.8 m，開(kāi)挖深度約12.5 m。隧道基坑下穿蘇州水務(wù)集團(tuán)DN1800（渾）和DN1400（清）自來(lái)水水管，水管呈南北走向，與隧道中心線(xiàn)夾角為80.6。。管道材質(zhì)均為鋼管。根據(jù)物探成果，永方路節(jié)點(diǎn)處 DN1800水管頂標(biāo)高 2.21～2.31m，DN1400水管頂標(biāo)高2.02～2.16m。

擬建工程位于蘇州市相城區(qū)，場(chǎng)地屬長(zhǎng)江三角洲太湖流域沖湖積平原區(qū)，地貌形態(tài)單一，地形總體較平坦。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)數(shù)據(jù)，該節(jié)點(diǎn)隧道基坑涉及的土層自上而下分別為①2雜填土、①3素填土、③1粘土、③2粉質(zhì)粘土、④1粉質(zhì)粘土、④2粉土、⑤粉質(zhì)粘土、⑥1粘土。各土層參數(shù)如表1所示。

圖1 永方路節(jié)點(diǎn)基坑三維示意圖

土層力學(xué)參數(shù) 表1

3 數(shù)值計(jì)算分析

3.1 建立模型

使用有限元軟件Midas/GTS建立三維模型，重點(diǎn)分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及管線(xiàn)的變形規(guī)律，為簡(jiǎn)化計(jì)算，作出如下假設(shè)條件：

①各層土體均為各向同性均質(zhì)的理想彈塑性體，符合Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，各土層間均勻、水平層狀分布，場(chǎng)地?zé)o起伏；

②由于工程實(shí)際情況中，施工時(shí)在基坑雙側(cè)需要先進(jìn)行降水處理，使得施工區(qū)域內(nèi)地下水位一直維持在坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高之下，所以假定模擬時(shí)忽略地下水位的影響；

③土體符合摩爾庫(kù)倫模型，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐體系等均為彈性體。

建立的三維模型如圖2所示。

圖2 三維模型示意圖

圖3 懸吊保護(hù)體系模型

三維有限元模型尺寸為150m×130m×50m，基坑尺寸為 30.8m×38m，采用板殼單元模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及供水管道，采用梁?jiǎn)卧M混凝土支撐及鋼支撐，土體單元采用混合網(wǎng)格生成器生成，模型共83963個(gè)單元，43408個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中土體采用摩爾庫(kù)倫模型，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐體系、懸吊體系等均采用彈性模型。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形云圖

圖5 地連墻水平位移隨開(kāi)挖深度變化曲線(xiàn)

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析

基坑開(kāi)挖及管線(xiàn)懸吊結(jié)構(gòu)施工完后，得到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移云圖，如圖4所示。

圖4位移云圖直觀(guān)顯示了基坑開(kāi)挖在空間效應(yīng)下的變形規(guī)律，可以看出，整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形呈“內(nèi)凹”型，呈中間大兩頭小的趨勢(shì)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的角部由于坑角效應(yīng)的存在，其剛度遠(yuǎn)大于其他部位，從而導(dǎo)致角部地連墻的變形較小。水平位移最大值位于MJS工法施工區(qū)域，這是由于該部位沒(méi)有施工鋼支撐，致使其變形較大。圖5是地連墻水平位移深開(kāi)挖深度的變化曲線(xiàn)，圖中可以看到隨著土體開(kāi)挖和內(nèi)支撐架設(shè)等工況的實(shí)施，地連墻水平位移深度增大先增加后減小，且最大水平位移的埋深位置隨開(kāi)挖深度的增加而增加。，最大水平位移的位置也隨開(kāi)挖深度的增加而下移，開(kāi)挖到底部時(shí)，最大水平位置穩(wěn)定在埋深18 m處，最大值約為6 mm。

3.3 坑底隆起分析

圖6 坑底土體隆起位移曲線(xiàn)圖

由上圖可知，坑底隆起最大值位于基坑中心，坑壁兩側(cè)土體的隆起值較小，主要是因?yàn)槭艿降剡B墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，距地連墻較遠(yuǎn)處的隆起位移越大，因此，圖中基坑隆起曲線(xiàn)出現(xiàn)“中間高，兩邊低”的現(xiàn)象，且在模擬的理想狀態(tài)下，隆起曲線(xiàn)基本與基坑中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。并且隨著基坑開(kāi)挖，坑底隆起值不斷增加，第一次開(kāi)挖由于開(kāi)挖量較少，土體發(fā)生了2 mm的沉降，隨著開(kāi)挖深度增加，隆起值越來(lái)越大，開(kāi)挖至坑底時(shí)，基坑隆起最大值為43 mm。

圖7 管線(xiàn)豎向位移云圖

3.4 供水管線(xiàn)位移分析

由于第一次開(kāi)挖和第二次開(kāi)挖由于沒(méi)有施工懸吊支護(hù)體系，管道均發(fā)生沉降，第二次開(kāi)挖至管道下方0.5 m處施工懸吊體系，施工懸吊支護(hù)體系后，由于坑底隆起導(dǎo)致的格構(gòu)柱上移，力經(jīng)過(guò)格構(gòu)柱傳到混凝土梁，再經(jīng)過(guò)拉桿、懸吊橫梁傳給供水管道，會(huì)導(dǎo)致管線(xiàn)向上隆起，隨著開(kāi)挖深度增加，坑底隆起越大，管道向上彎曲幅度越大，開(kāi)挖至基坑坑底時(shí)，管道豎向位移達(dá)到最大值13 mm。由于DN1400管道所受重力小于DN1800管道，故豎向位移最大值位于DN1400管道中部。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)永方路節(jié)點(diǎn)基坑開(kāi)挖時(shí)管線(xiàn)懸吊保護(hù)施工過(guò)程進(jìn)行三維數(shù)值計(jì)算，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和管線(xiàn)的變形規(guī)律，得出以下結(jié)論。

①?lài)o(hù)結(jié)構(gòu)水平變形呈“內(nèi)凹”型，變形最大值為6 mm，位于墻體埋深20 m位置處，坑角部分由于其剛度較大導(dǎo)致變形較小。地連墻水平位移深度增大先增加后減小，且最大水平位移的埋深位置隨開(kāi)挖深度的增加而增加，坑底土體隆起值隨基坑開(kāi)挖深度增加而增大。

②坑底隆起會(huì)導(dǎo)致格構(gòu)柱向上位移，力經(jīng)由格構(gòu)柱、混凝土支撐、拉桿、鋼橫梁傳遞至供水管線(xiàn)，導(dǎo)致管線(xiàn)向上變形。由于DN1400所受重力較小，管線(xiàn)位移最大值位于其中部，其變形曲線(xiàn)近似呈拋物線(xiàn)。