彭偉

昆明軌道交通集團(tuán)有限公司，昆明 650011)

1 前言

隨著城市的發(fā)展，城鎮(zhèn)人口的急劇膨脹，人口增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于用地增長(zhǎng)率，如今城鎮(zhèn)的地上空間越來(lái)越匱乏，隨處可見(jiàn)的擁擠。所以地下空間的開(kāi)發(fā)與地下設(shè)施的建設(shè)刻不容緩。當(dāng)前，城鎮(zhèn)的建設(shè)發(fā)展與地下空間的開(kāi)發(fā)是緊密聯(lián)系的，城鎮(zhèn)地下空間的開(kāi)發(fā)不可避免要涉及到基坑開(kāi)挖，故此，基坑工程逐步往“近、深、大、緊”的特點(diǎn)發(fā)展，其規(guī)模與難度一直在不斷增大。城鎮(zhèn)的基坑在施工開(kāi)挖不可避免的控制因素便為鄰近管道，在確?；邮┕さ陌踩耘c經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，也要保證附近密集的管道的安全，管道的破裂將影響居民生活與工作，給社會(huì)造成不良影響和巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此需控制基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)管道造成的不良影響。O’Rourke[1]根據(jù)土體開(kāi)挖引起的地層位移分布情況，提出了管-土相互作用模型。后又采用三維有限元模擬了淺溝槽開(kāi)挖對(duì)鄰近的鑄鐵管線的影響，當(dāng)管線與周?chē)馏w之間不產(chǎn)生相對(duì)位移時(shí)，可以不考慮施工對(duì)管線的影響[2]。李大勇等人[3]利用Winkler彈性地基梁理論，建立受基坑開(kāi)挖影響的地下管線豎向位移與水平位移方程。2003年，李大勇等人[4]采用三維有限元法，順利求解出受基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的地下管線位移與內(nèi)力。王磊等人[5]采用有限元建立相鄰基坑開(kāi)挖對(duì)地下管線影響模型，也得到較好的分析結(jié)果。劉金龍[6]等采用FLAC3D分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近不同管徑管線的影響，為工程做出指導(dǎo)。趙文等[7]結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目，對(duì)工程中地下管線變形和受力狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)測(cè)研究，并結(jié)合管道材料試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為該工程的施工不會(huì)對(duì)地下管線造成安全影響。張培森[8]采用數(shù)值分析方法針對(duì)在地鐵較遠(yuǎn)距離處的深基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵變形的影響進(jìn)行分析。楊慶光等[9]采用FLAC3D建立三維數(shù)值模型，考慮不同的夾角和開(kāi)挖深度，對(duì)管線穩(wěn)定性具有重要影響的管線豎向位移、豎向應(yīng)力、軸力問(wèn)題展開(kāi)研究。徐宏增等[10]運(yùn)用有限元軟件PLAXIS建立三維數(shù)值模型，探討不同圍護(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。上述研究對(duì)基坑開(kāi)挖與管道的影響具有一定的參考意義，但是基坑具有地域性，針對(duì)復(fù)雜的基坑項(xiàng)目，需要針對(duì)性的研究分析。

本文利用MIDAS GTS NX建立完整的深基坑三維數(shù)值模型，模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體與管道的相互變形作用。

2 工程概況

某基坑項(xiàng)目位于昆明市主市區(qū)，項(xiàng)目周邊布設(shè)有地下管道與多棟居民樓，并鄰近交通主干道，周邊地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制基坑工程開(kāi)挖引發(fā)的周邊建筑物沉降與變形，整個(gè)基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)，環(huán)境保護(hù)要求高?；娱L(zhǎng)42 m、寬27 m，深度為10 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ600 mm的鉆孔灌注樁，長(zhǎng)度為18 m，樁間距為800 mm，布設(shè)有兩道混凝土內(nèi)支撐，冠梁截面為1 200 mm×1 000 mm，支撐梁截面為1 000 mm×800 mm。并且地下水位長(zhǎng)期在地下1.2～1.6 m深度，為避免降水排水導(dǎo)致的對(duì)周邊建筑物的沉降影響，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)有φ500 mm@250的三軸止水帷幕，確保了對(duì)地下水的有效控制。

本次研究選取離基坑項(xiàng)目最近的兩根管道，分別為距離坑邊距為6 m的φ1 200 mm的通信電纜與坑邊距為9 mφ1 200 mm給水排水一體管道。考慮管道的重要性，需要對(duì)管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析。本文采用E=3×ES[11]進(jìn)行土體模擬分析，項(xiàng)目土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

3 建立數(shù)值模型

研究基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近管道的影響，需建立數(shù)值模型體系包括基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周邊土體及鄰近管道，并且需采用適宜的巖土本構(gòu)模型對(duì)基坑項(xiàng)目進(jìn)行精確模擬計(jì)算。

采用MIDAS GTS NX軟件模擬，計(jì)算基本假定為：

(1) 計(jì)算域內(nèi)土體為各向同性的均質(zhì)土體，土體采用修正摩爾庫(kù)倫本構(gòu)。

(2) 設(shè)立有止水帷幕與其他降排水措施，故模型不考慮地下水作用。

(3) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，對(duì)撐、立柱采用1D單元，管道采用3D單元，管道參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 地下管線參數(shù)表

建立計(jì)算模型，基坑開(kāi)挖影響范圍為開(kāi)挖深度的2～4倍，因此設(shè)置模型長(zhǎng)度120 m、寬度77 m、深度36 m，符合模型影響范圍。模型四周邊界設(shè)置位移約束，底部設(shè)置固定約束，并施加自重，還原實(shí)際情況。有限元模型如圖1、圖2所示。

圖1 計(jì)算模型示意圖

圖2 模型剖面示意圖

4 數(shù)值模擬分析

基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近管線的影響一直是一項(xiàng)困擾設(shè)計(jì)人員的難題，其影響的因素不僅僅是基坑開(kāi)挖的方式和基坑大小，還包括管道的直徑類型、管道直徑與管道距離基坑距離。若想用傳統(tǒng)理論分析計(jì)算計(jì)算量巨大，并且因?yàn)橥馏w的特殊性，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系難以把控，因?yàn)椴捎糜邢拊侄?，通過(guò)軟件模擬，能有效分析基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近管線的受力與變形，故此采用MIDAS GTS NX軟件模擬基坑情況，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

4.1 基坑開(kāi)挖分析

模型參數(shù)采用表1與表2數(shù)據(jù)，基坑開(kāi)挖嚴(yán)格按照開(kāi)挖深度逐層開(kāi)挖：第一層按照45度角放坡，深度1.0 m，施加混凝土護(hù)坡施工；第二層開(kāi)挖深度0.5 m，施加第一道內(nèi)撐；第三層開(kāi)挖2.5 m；第四層開(kāi)挖0.5 m，施加第二道內(nèi)撐；第五層開(kāi)挖2.5 m；第六層開(kāi)挖2.5 m至開(kāi)挖坑底。模擬方案參照實(shí)際施工，模型施工步驟共有7步，第一步為初始地應(yīng)力平衡，控制模型初始位移[13]。模擬施工步驟都有相應(yīng)的構(gòu)件激活與邊界條件，在此便不一一贅述。計(jì)算云圖如圖3所示。

圖3 基坑開(kāi)挖模型云圖

通過(guò)數(shù)值模擬分析(圖4、圖5)，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，管道水平位移逐漸增大，并且管道在越靠近基坑的部位位移越大，說(shuō)明基坑開(kāi)挖造成管道位移影響較大。距離基坑6 m處的電纜管道與距坑邊9 m的給水排水管道位移不同，電纜管道最大位移18.60 mm，給水排水管道最大位移18.87 mm，由數(shù)據(jù)表明距離坑邊距越遠(yuǎn)的管道位移越大。但不可忽視的一點(diǎn)，電纜管道其材質(zhì)不同于給水排水管道，是否材質(zhì)的因素造成位移的差異，需進(jìn)一步詳細(xì)分析。

圖4 管線位移與實(shí)測(cè)對(duì)比圖

圖5 管線管身距基坑中部位移圖

4.2 管道變形因素分析

影響地下管線變形因素很多，例如：基坑開(kāi)挖方案、管道自身材質(zhì)、基坑大小、管道埋深、管道直徑、管道距離基坑距離等等，本次研究基于實(shí)際基坑項(xiàng)目，因此基坑開(kāi)挖方案與基坑大小等，基坑因素不再考慮。故在不變的基坑方案下，詳細(xì)分析管道材質(zhì)、管道直徑與管道距離坑邊距3個(gè)因素。

4.2.1 管道材質(zhì)

根據(jù)上文顯示，電纜管道位移小于給水排水管道，但是兩個(gè)管道材質(zhì)不同，不便于分析。因此本次選取兩根管道選取相同材質(zhì)分析，管道材質(zhì)如表3。管道直徑與坑邊距按照上文情況不變。

表3 管道材料參數(shù)

通過(guò)圖6分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是何種材料的情況下，電纜管道的位移都大于給水排水的管道位移。以電纜管道為例分析，鋼制位移最大5.23 mm，混凝土制19.63 mm，鋼制位移明顯小于混凝土制。其主要原因?yàn)殇摴艿膹椥阅Ａ看?，抵抗變形能力?qiáng)，其受基坑開(kāi)挖影響最小，混凝土制管道位移也相對(duì)較小，并且在兩種材料情況下，水平位移隨著基坑開(kāi)挖影響變化不大。位移最大的為PVC管，其彈性模量最小，并且隨著基坑開(kāi)挖，其位移變化值較大，說(shuō)明PVC與土體的變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)。故此可說(shuō)明，管道材質(zhì)越好，彈性強(qiáng)度越大，越不容易變形，與土體的協(xié)調(diào)能力越差。

圖6 管道材料對(duì)管道水平位移影響

4.2.2 管道直徑

根據(jù)上文顯示，材料剛度越大，管道越不容易變形。管道直徑也是影響管線位移的重要因素，因此采用不同直徑的管道，研究不同直徑情況下，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近管道的影響。僅選取電纜管道，其材質(zhì)選用混凝土，管道位置與實(shí)際情況相同，其余不變。

通過(guò)圖7分析可以發(fā)現(xiàn)，采用混凝土材料，由于材料剛度大，水平位移隨著基坑開(kāi)挖影響變化不大。但是在直徑由0.5 m逐步增大至3 m時(shí)，其位移是逐漸減小，特別在直徑1.5 m變?yōu)? m后，位移控制最好。故此可說(shuō)明，管道采用混凝土材質(zhì)時(shí)，直徑為2 m時(shí)，管道位移變形最小。

圖7 管道直徑對(duì)管道水平位移影響

4.2.3 管道坑邊距

由4.2.1可知，在相同材質(zhì)與直徑的情況下，距離坑邊距為6 m的電纜管道位移大于坑邊距為9 m的給水排水管道，因此在此基礎(chǔ)上詳細(xì)研究管線距離基坑的距離影響，分別選取電纜管道距坑邊距d為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m與30 m的情況分析，材質(zhì)選取混凝土材質(zhì)，其余不變。

由圖8表明，當(dāng)坑邊距為5 m時(shí)，管道最大位移為22.15 mm，最小位移為18.59 mm。當(dāng)坑邊距增大時(shí)，如坑邊距為30 m時(shí)，管道最大位移為6.68 mm，最小位移為5.16 mm。由數(shù)據(jù)表明，管道距離基坑距離不同，基坑開(kāi)挖對(duì)其影響也不同，管線距離基坑距離越遠(yuǎn)，其影響程度越低。同時(shí)由數(shù)據(jù)表明，當(dāng)距離大于25 m，即2.5H(H為基坑開(kāi)挖深度)時(shí)，基坑開(kāi)挖對(duì)管線影響不明顯，因此在條件允許的情況下，盡量使得管道在離基坑大于2.5H處，這種情況下，基坑開(kāi)挖對(duì)管道影響較小。

圖8 管道坑邊距對(duì)管道水平位移影響

5 結(jié)論

(1) 基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近管道影響較大，管道管身離基坑越近處，其位移越大，管道容易破壞，因此故該處需特別留意，在該處多監(jiān)測(cè)其位移情況，并在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)其做特殊保護(hù)。

(2) 管道材料在管道變形因素中起重要作用，材料剛度越大，材料抵抗變形能力越強(qiáng)，基坑開(kāi)挖對(duì)管道影響越小。

(3) 管道直徑同樣控制著管道變形，管道直徑越大，抵抗變形能力越強(qiáng)，在直徑達(dá)到2 m時(shí)，其控制變形效益最好。

(4) 管線距離基坑距離越近，基坑開(kāi)挖對(duì)管道影響越大，當(dāng)距離在2.5H(H為基坑開(kāi)挖深度)時(shí)，管線位移趨于穩(wěn)定，因此在條件允許的情況下，盡量控制管線的坑邊距在2.5H以上，能有效保證管線安全。

(5) 土體具有區(qū)域性，由于本文基于昆明實(shí)際工程情況分析，因此研究結(jié)果存在一定的局限性，可為昆明地區(qū)類似工程項(xiàng)目提供參考。

(6) 地下管線受基坑開(kāi)挖的影響因素眾多，本文篇幅有限，未能對(duì)所有影響因素逐一分析，會(huì)在今后的研究中繼續(xù)補(bǔ)充與完善。