徐宏增，石 磊，王振平，楊開放，徐長節(jié),3*

(1.宏潤建設(shè)集團股份有限公司，上海 200235；2.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，杭州 310058；3.華東交通大學(xué), 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室，南昌 330013)

隨著城市化進程的快速發(fā)展，在既有管線相鄰的工程日益增多，尤其是以深基坑工程的影響最為嚴(yán)重。如今城市大力發(fā)展市政管廊工程，但國內(nèi)缺少市政管廊基坑工程的開挖對近鄰建(構(gòu))筑物的影響研究。由于基坑開挖導(dǎo)致坑內(nèi)外產(chǎn)生水土壓力差，造成坑外土體向坑內(nèi)移動，管線隨土體位移而發(fā)生變形，較大變形會引起管線的破壞及泄露[1-4]。

關(guān)于基坑開挖引起鄰近管線位移的影響分析需要考慮管線、土體以及基坑之間的相互作用，通過歸納總結(jié)前人研究成果可以分為兩類：一類是運用有限元數(shù)值模擬的方法，用開挖等效荷載來模擬基坑已卸荷土體所釋放的應(yīng)力。李大勇等[5-7]用開挖等效荷載模擬被卸荷的土體與剩余土體之間的關(guān)系，通過改變敏感性參數(shù)總結(jié)基坑開挖引起管線的位移變化規(guī)律；杜金龍等[8]運用有限元軟件分析不同的管徑對管與土之間接觸面的影響，得出關(guān)于管線的曲率、轉(zhuǎn)角、最大應(yīng)力和彎矩發(fā)生的位置。另一類研究成果則是采用位移控制分析方法，不考慮基坑開挖的過程，通過將基坑開挖引起坑周土體的自由位移場作為控制條件，以分析基坑開挖引起管線的位移變化。張陳蓉等[9-10]采用位移控制兩階段簡化理論分析與位移控制有限元法，驗證了簡化方法的合理性，同時提出了關(guān)于保護管線的控制標(biāo)準(zhǔn)。

以上研究中，上述有限元數(shù)值模擬方法不能考慮管與土的相互作用，并不符合實際；位移兩階段分析方法沒有考慮基坑內(nèi)土體卸荷的情況，無法反映真實的開挖工況。為此，采用有限元軟件PLAXIS建立三維數(shù)值模型，考慮基坑內(nèi)土體開挖的工況以及管線與土之間相互作用，分析基坑不同的圍護結(jié)構(gòu)形式對管線的位移影響，歸納總結(jié)基坑開挖引起大直徑管線的位移規(guī)律，為基坑工程提供優(yōu)化的監(jiān)測方案。

1 案例分析

1.1 工程概況

杭州市錢江新城沿江大道綜合管廊基坑呈長條形狀，開挖總長度為3 600.0 m，開挖寬度為10.3～10.7 m，基坑開挖深度為5.0～16.0 m。沿基坑長度方向有需要保護的大直徑污水管線，基坑坑邊與污水管線水平距離相距4.0 m，本段污水管線由2根型號D2400的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管組成，污水管管徑為 2.4 m。由于基坑沿長度方向開挖，由于基坑周邊存在復(fù)雜的開挖環(huán)境，選取3種典型的基坑圍護結(jié)構(gòu)方案：鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐、新型水泥土攪拌樁墻(soil mixing wall, SMW)工法樁加內(nèi)支撐和地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐?；拥叵逻B續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)的剖面如圖1所示。

①1～4為層號

1.2 有限元模型

1.2.1 模型尺寸及邊界條件

結(jié)合管廊基坑工程具有狹長性特點，運用有限元軟件PLAXIS建立基坑開挖的三維數(shù)值模型?？紤]到模型尺寸的邊界效應(yīng)，模型的水平和豎直方向取基坑開挖深度的3倍，有限元模型的尺寸40.0 m×110.0 m×60.0 m(即x、y、z方向)，基坑開挖面是10.7 m×15.0 m，土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。關(guān)于基坑模型的邊界條件，對模型底面位置的3個方向進行全部約束，四個側(cè)面進行法向約束，模型上部為自由面[11-14]，模型網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

1.2.2 模型圍護結(jié)構(gòu)形式

基坑采用三種內(nèi)支撐式圍護結(jié)構(gòu)，分別是Φ800 mm 鉆孔灌注樁、Φ1 000 mm鉆孔灌注樁和800 mm厚地下連續(xù)墻。圍護結(jié)構(gòu)樁與墻的插入比為1∶1.5，在基坑內(nèi)設(shè)置4道支撐梁，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，其余三道為鋼支撐。基坑外有兩條大直徑污水DN2400，靠近基坑一側(cè)的管線與基坑相距4 m，污水管線的直徑為2.4 m，管線中軸埋深為6.8 m，兩條管線相距4 m，管線材料為鋼筒預(yù)應(yīng)力管，基坑模型剖面簡圖如圖3所示。

圖3 基坑模型剖面簡圖

1.3 模型驗證分析

如圖4所示，通過將有限元模型深層土體水平位移的計算值與工程實測值對比分析，發(fā)現(xiàn)坑周土體的深層水平位移變化趨勢基本一致。地表土體產(chǎn)生的主動土壓力較小，土體位移變化不明顯；隨著土體深度的增加，主動土壓力使坑外土體產(chǎn)生向坑內(nèi)變化的趨勢，并且土體深層水平位移最大值均發(fā)生在基坑坑底附近，有限元計算值為8.2 mm，而工程實測值為8.8 mm。

圖4 深層土體水平位移

管線變形模式如圖5所示，由于數(shù)值模型中管線接口是剛性連接，所以沿基坑方向的管線呈現(xiàn)出中間位移大，兩端位移小的特點?？拷拥墓芫€位移實測值為8.5 mm，模型計算結(jié)果中管線最大位移為8.3 mm，實測值與模擬值基本一致。

圖5 靠近基坑一側(cè)管線位移圖

2 基坑開挖對管線位移的時空效應(yīng)

2.1 時間效應(yīng)

如圖6所示，管廊基坑的開挖對近鄰大直徑污水管線存在時間效應(yīng)(即與開挖深度之間的規(guī)律，基坑開挖的進度與工程時間相對應(yīng))。近鄰管線不僅產(chǎn)生水平方向的位移，而且基坑開挖會引起豎向位移：①管線的水平位移隨基坑開挖深度的增加逐漸向坑內(nèi)移動，并且靠近基坑側(cè)的管線位移大于遠離基坑的管線；當(dāng)基坑開挖深度位于管線埋設(shè)深度附近時，管線向坑內(nèi)的水平位移變緩，并且靠近基坑的管線水平位移有輕微遠離基坑的現(xiàn)象；當(dāng)基坑開挖深度大于管線埋設(shè)深度時，管線水平位移增長速率較大。②在基坑開挖初期(當(dāng)基坑開挖深度小于管線的埋設(shè)深度時)，由于兩條大直徑管線有向坑內(nèi)運動的趨勢，管線因此會產(chǎn)生向上的隆起位移；當(dāng)基坑開挖深度在管線埋設(shè)深度的附近時，隆起位移達到最大值；當(dāng)開挖深度大于埋設(shè)深度時，管線因向坑內(nèi)運動而產(chǎn)生豎向沉降位移，基坑開挖至坑底時，管線沉降達到最大值。

圖6 管線位移隨基坑開挖深度變化

結(jié)合圖6和表2可知，同一圍護結(jié)構(gòu)形式下靠近基坑的管線位移大于遠離基坑的管線位移，且兩條管線之間的水平位移差距較大。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)采用直徑為800 mm的鉆孔灌注樁時，兩條管線的水平位移差距達到23.65%；管線受深層土體位移的影響，兩條管線幾乎同時產(chǎn)生豎向的位移，但豎向位移差距只有10.91%。

表2 不同圍護結(jié)構(gòu)下遠近管線的位移

當(dāng)采用不同形式的圍護結(jié)構(gòu)，提高圍護結(jié)構(gòu)的剛度可以有效地限制管線位移增大的趨勢。當(dāng)采用800 mm的地下連續(xù)墻時，管線的水平和豎向位移都得到了控制，并且水平位移差和豎向位移差均減小至15.38%和2.97%。此外，針對基坑開挖引起近鄰管線位移的監(jiān)測問題，由于兩條管線的水平位移差距較大，所以應(yīng)分別監(jiān)測水平位移；然而兩條管線的豎向位移差距較小，變化幅度一致，可監(jiān)測靠近基坑一側(cè)的管線豎向位移。

2.2 空間效應(yīng)

不同圍護結(jié)構(gòu)形式下的基坑開挖引起管線位移的變化存在明顯的空間規(guī)律。如圖7、圖8所示，基坑工程的側(cè)邊有兩條相鄰的大直徑污水管線，無論是距離基坑較近的管線，還是距離基坑較遠的管線，兩條管線都呈現(xiàn)出基坑中心位移大而兩端位移較小的特點。管線的最大水平向位移達到5.0 mm，豎向位移達到6.5 mm。這是因為管線受基坑開挖的影響，基坑內(nèi)土體卸荷改變了坑周土體的位移場，從而影響近鄰管線位移的增長；而基坑兩端的管線受土體的約束作用，沒有產(chǎn)生明顯的位移。由于基坑開挖對周圍土體有一定的影響范圍，并且靠近基坑的土體所受影響最大，導(dǎo)致靠近基坑側(cè)的管線位移增長速率大于遠離基坑的管線。

圖7 近管位移變化

圖8 遠管位移變化

由表2可知，當(dāng)基坑在不同圍護結(jié)構(gòu)形式下進行土體卸荷時，提高圍護結(jié)構(gòu)的剛度可以有效地限制管線的位移增長。當(dāng)采用800 mm地下連續(xù)墻時，減小管線位移變化的趨勢最為明顯，近側(cè)管線的水平位移從5.0 mm減小到3.9 mm，減小接近22.0%；近側(cè)管線的豎向位移從6.5 mm減小到 5.1 mm，減小接近21.5%。無論是水平還是豎向位移，減小量均在20%以上。增大圍護結(jié)構(gòu)剛度可以約束整個基坑工程的變形，坑周土體深層位移減小，導(dǎo)致管線水平與豎向的位移減小。

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)8.0.5條相關(guān)規(guī)定[15]，考慮目前管線及建筑物原有變形的影響，基坑周邊管道及建(構(gòu))筑物監(jiān)測報警值按表3控制，通過對比得出該監(jiān)測點沉降未達到報警值，在安全范圍內(nèi)。

表3 管道及建筑物監(jiān)測報警值

3 結(jié)論

(1)管線因相鄰基坑的開挖存在時空效應(yīng)，基坑中心處的管線位移大于基坑兩端的管線位移，且基坑開挖深度與管線埋設(shè)深度之間存在3種不同的位置關(guān)系，當(dāng)基坑開挖至坑底時，管線的水平及豎向位移達到最大值。

(2)同一圍護結(jié)構(gòu)形式下，近鄰基坑的兩條污水管線水平位移差距大于豎向位移差距，基坑施工中，應(yīng)將兩條管線的水平位移分別進行監(jiān)測，豎向位移可監(jiān)測靠近基坑的管線位移。

(3)不同圍護結(jié)構(gòu)形式下，提高基坑圍護結(jié)構(gòu)的剛度，不僅可以限制近鄰管線水平與豎向位移，還可以有效減小兩條管線的水平和豎向位移差距。