裴生平 鄧尤術(shù) 黎森宇 黃耀鵬

(1 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司；2 廣東工業(yè)大學(xué)土木與交通工程學(xué)院）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶動(dòng)城市空間的拓展，城市地下空間工程的建設(shè)也越來(lái)越多，人們通過(guò)地下線路管道的連接的依賴越來(lái)越大，不斷涌現(xiàn)的下埋管道、地下綜合管廊、地鐵隧道和深大基坑等工程，使得地下空間工程施工難度越來(lái)越大，其安全性也越來(lái)越受到人們的重視，其中很多基坑工程的建設(shè)施工會(huì)對(duì)鄰近在役的管道產(chǎn)生影響[1]。實(shí)際工程中，基坑開挖會(huì)引起場(chǎng)地應(yīng)力的重分布，繼而打破鄰近在役管道的受力平衡，引發(fā)管道的變形，若引起變形過(guò)大則會(huì)使得管道發(fā)生不均勻沉降，引發(fā)重大的工程事故，特別在深厚軟弱地層條件下進(jìn)行深基坑開挖，這種現(xiàn)象則更為明顯[2]，并且已有的相關(guān)規(guī)范對(duì)既有的鄰近管道的變形提出嚴(yán)格的要求。

目前，學(xué)者們已深入運(yùn)用多種方法研究基坑開挖對(duì)鄰近在役管道的影響。在理論分析方面，唐孟雄等[3]通過(guò)回歸分析求得基坑擋土墻側(cè)向位移的表達(dá)式，通過(guò)地表沉降與位移之間關(guān)系，求出地表任意點(diǎn)的位移表達(dá)公式，最后通過(guò)該點(diǎn)代入管道的受力分析中，估計(jì)管道在基坑開挖過(guò)程中是否遭受破壞指導(dǎo)施工并對(duì)地下管道采取相應(yīng)措施保證其安全可靠；李佳川等[4]采用空間八節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)等參單元方法，研究了地下連續(xù)墻基坑開挖過(guò)程中土體沉降沿基坑縱向的分布規(guī)律，與實(shí)際工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其推算的可靠性，并引進(jìn)了沉降傳遞系數(shù)的概念，當(dāng)知道地表沉降值時(shí)可估算地下管線的變形。在模型試驗(yàn)方面，Kusakabe等[5]進(jìn)行了鄰近基坑開挖對(duì)既有管道影響的離心模型試驗(yàn)研究，討論了砂土中垂直軸對(duì)稱開挖對(duì)附近地下管道的影響，并總結(jié)離心模型試驗(yàn)的結(jié)果；吳波等[6]通過(guò)離心機(jī)模型試驗(yàn)研究地鐵隧道施工對(duì)管線的影響，模擬結(jié)果表明，管線在施工過(guò)程中處于安全狀態(tài)，同時(shí)還進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)的地表沉降值的對(duì)比分析，驗(yàn)證結(jié)論的合理性。在現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)研究方面，劉紅巖等[7]在前人提出的彈性地基梁理論的基礎(chǔ)上，提出根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地表沉降曲線計(jì)算基坑開挖對(duì)引起鄰近地下管線位移的方法，彌補(bǔ)前人假定地下管線上方地表沉降曲線為拋物線的不足，從而使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確；李鏡培等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的方法對(duì)施工過(guò)程中各關(guān)鍵點(diǎn)位的位移的變化規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與類似條件的工程進(jìn)行對(duì)比，分析基坑自身結(jié)構(gòu)及周邊管線的變形特性，探究開挖深度與空間效應(yīng)對(duì)不同位置基坑結(jié)構(gòu)及管線變形的影響。在數(shù)值模擬方面，吳崢等[9]利用ABAQUS軟件對(duì)某管廊基坑上跨管道的工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析結(jié)果表明，在管線周邊進(jìn)行合理的注漿加固，能有效減少管線的整體隆起變形，且改變管線與基坑長(zhǎng)邊夾角至合適的角度可使得管線的隆起減少；饒文昌[10]通過(guò)有限元軟件，以實(shí)際工程為例，分別計(jì)算二維三維的有限元模型，分析管線變形及受力，并對(duì)施工過(guò)程中坑外超載這一不利工況對(duì)管線的影響進(jìn)行分析，并給出了基坑截面改變處不應(yīng)該發(fā)生在管道的焊接處；杜金龍等[11]采用FLAC3D分析基坑開挖對(duì)鄰近不同管徑管線的影響，計(jì)算結(jié)果表明，管徑大小對(duì)管、土相互作用影響很大，相關(guān)研究計(jì)算中應(yīng)考慮管、土相互作用，同時(shí)對(duì)于平行于基坑邊的管線，其最不利受力處均發(fā)生在在基坑端角部20%開挖長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，應(yīng)對(duì)該區(qū)域管線加以特別保護(hù)。

綜上所述，從大量以往的研究可看出，基坑開挖對(duì)于鄰近在役管線的影響，主要跟基坑與管線的間隔距離、管線與基坑的相對(duì)夾角以及對(duì)管線的保護(hù)方法等有關(guān)。不過(guò)鄭剛[12]在進(jìn)行基坑開挖對(duì)鄰近隧道的研究中，通過(guò)大量的有限元分析認(rèn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同變形模式會(huì)對(duì)基坑周邊環(huán)境的受力變形產(chǎn)生一定影響，同時(shí)目前也已經(jīng)有相關(guān)研究表明，受水平支撐沿深度的布置間距、水平支撐不同位置、支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐剛度以及施工方法等因素的影響，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式可以歸納為懸臂、踢腳、內(nèi)凸和復(fù)合4種[13]，這四種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形示意圖如圖1。盡管如今已有許多學(xué)者對(duì)基坑鄰近管道的相關(guān)課題進(jìn)行過(guò)大量研究，但對(duì)于基坑開挖后支護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式對(duì)于管道變形的影響鮮有報(bào)道。因此，在軟土地區(qū)進(jìn)行第三方基坑的開挖，對(duì)于管道的保護(hù)處理必不可少。本文研究?jī)?nèi)容在以往相關(guān)研究上更進(jìn)一步，以南沙某工程區(qū)內(nèi)所進(jìn)行的第三方基坑施工對(duì)鄰近管道的保護(hù)工程項(xiàng)目為依托，綜合上述研究基礎(chǔ)，采用Midas GTS 有限元軟件，建立三維模型探究基坑開挖深度、基坑支護(hù)水平位移大小以及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式不同時(shí)，基坑開挖對(duì)鄰近在役管道變形的影響規(guī)律，總結(jié)出相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，為今后相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)典型變形模式[13]

1 項(xiàng)目概況

1.1 管道工程概況

本研究所依托的項(xiàng)目為南沙某工程區(qū)內(nèi)所進(jìn)行的第三方基坑施工對(duì)鄰近管道的保護(hù)工程項(xiàng)目，該工程位于南沙區(qū)東涌鎮(zhèn)?；痈浇嬖跍\埋燃?xì)夤艿馈Ｈ細(xì)夤芫€離基坑工程距離大致約為5～70m。目前對(duì)于管道的保護(hù)方法在該工程區(qū)主要有如下幾種：①部分路段，考慮到軟土層較厚，且工期要求十分緊張，故橋頭段落、擋墻及涵洞過(guò)渡段軟基采用長(zhǎng)板-短樁和水泥攪拌樁處理；②也有部分道路右側(cè)邊緣距離燃?xì)夤芫€過(guò)近，為減少軟基沉降對(duì)管線的影響，保護(hù)燃?xì)夤芫€，故采用長(zhǎng)板-短樁進(jìn)行處理，局部一般路段采用復(fù)合地基處理；③距離廣州燃?xì)夤艿垒^近的位置，設(shè)置擋墻收坡，工程實(shí)施范圍距離燃?xì)夤芫€均大于5m。盡管有一系列系統(tǒng)的保護(hù)措施，但仍然不可避免地，在第三方基坑開挖的過(guò)程中，仍會(huì)有某些管道發(fā)生破壞，如當(dāng)中相隔較近的燃?xì)夤艿酪寻l(fā)生較大變形而損壞（如圖2 所示），相距較遠(yuǎn)的一些管道亦受到一定影響（如圖3 所示）。因此，軟土路基處理的施工將對(duì)鄰近管道產(chǎn)生重要影響，為此，本項(xiàng)目通過(guò)建立管道、基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)體系以及地層的三維有限元模型，分析第三方基坑施工對(duì)鄰近在役管道位移的影響規(guī)律，以其為管道的保護(hù)提供相關(guān)參考。

圖2 離基坑較近變形受損的燃?xì)夤艿?/p>

圖3 相隔較遠(yuǎn)受影響的燃?xì)夤艿?/p>

1.2 水文地質(zhì)概況

項(xiàng)目的地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，根據(jù)鉆探結(jié)果，場(chǎng)地范圍土層性質(zhì)從上往下主要為1.1～4.0m 素填土、5.4～2.37m 淤泥、2.8～16.8m 淤泥質(zhì)土、1.3～6.8m 粉質(zhì)粘土、1.4～8.7m 淤泥質(zhì)砂、1.0～5.8m 粉細(xì)砂、1.1～18.3m 中粗砂、4.6～10.0m 圓礫、下層的泥質(zhì)粉砂巖，地層分布不均。工區(qū)地處珠江水系入?？冢乇硭蛋l(fā)達(dá)，主要為河涌、魚塘，其水文情況也較為復(fù)雜，地下水位受季節(jié)及潮汐影響，咸度隨潮汐變化而變化，屬淡水或微咸水，由于生活廢水的排放，水質(zhì)較差，在干濕交替環(huán)境下，地下水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有弱腐蝕性。由此可見地質(zhì)水文情況，對(duì)于基坑及管道的保護(hù)都是不利的。

2 三維有限元計(jì)算模型

2.1 模型的建立

為了模擬基坑開挖施工對(duì)鄰近管線的影響，根據(jù)工程實(shí)際，做了一定的簡(jiǎn)化，建立了如圖4 的整體三維有限元模型，模型取220m×24m×44.7m（長(zhǎng)×寬×高）。簡(jiǎn)化實(shí)際工程中基坑的大小及形狀以及管線的位置，其中，基坑寬度設(shè)為90m，基坑開挖深度分別設(shè)為5m 和10m。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，深厚軟土地層，基坑開挖常采用連續(xù)墻/排樁+內(nèi)支撐的支護(hù)體系，為此，本項(xiàng)目的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系為等效連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐。模型自上而下各土層依次為填土、淤泥、淤泥質(zhì)土和中砂。

圖4 Midas/GTS有限元模型

2.2 模型的模擬過(guò)程

在Midas/GTS 中，通過(guò)荷鈍化和激活單元來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬基坑的開挖的施工階段過(guò)程。具體施工階段工序見表1。首先建立地層模型和隧道（即工序1），然后進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，即完成支護(hù)樁和立柱施工（即工序2），隨后依次進(jìn)行工序3、4，也有的基坑工程只開挖5m，即不進(jìn)行工序4。

表1 基坑開挖模擬步驟

2.3 基本假定

該模型建立的基本假定主要如下：①巖土體介質(zhì)采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構(gòu)模型；等效連續(xù)墻、燃?xì)夤艿?、腰梁、冠梁、支撐和支撐立柱采用線性彈性本構(gòu)模型，有限元模型中各種材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示；②假定各土層都為成層均質(zhì)水平分布；③不考慮地下水在基坑開挖過(guò)程中的影響；④不考慮時(shí)間因素。

表2 有限元模型各材料物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

由于本項(xiàng)目需要建立三維模型探究基坑開挖深度、基坑支護(hù)水平位移大小以及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式不同時(shí)，基坑開挖對(duì)鄰近在役管道變形的影響規(guī)律，因此考慮到不同的參量，在建立模型時(shí)會(huì)這樣控制。基坑開挖深度設(shè)置為5m 和10m，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為46.9mm、38.2mm、32.2mm、25.3mm、20mm和9.7mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移形態(tài)可為鼓肚子變形、傾覆變形和踢腳變形，下文先會(huì)用云圖舉例顯示模擬結(jié)果，最后再用折線圖將所有結(jié)果匯總，得到相關(guān)規(guī)律。

3.1 基坑開挖深度對(duì)管線位移的影響

當(dāng)基坑開挖深度分別為5m和10m時(shí)，管線和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移如圖5和6所示。

3.2 基坑支護(hù)水平位移對(duì)管線位移的影響

當(dāng)基坑支護(hù)的最大水平位移分別為46.9mm、38.2mm、32.2mm、25.3mm、20mm和9.7mm時(shí)，管線和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移如圖7～圖12所示。

圖7 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為46.9mm時(shí)的模擬結(jié)果

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為38.2mm時(shí)的模擬結(jié)果

圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為32.2mm時(shí)的模擬結(jié)果

圖10 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為25.3mm時(shí)的模擬結(jié)果

圖11 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為20mm時(shí)的模擬結(jié)果

圖12 支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為9.7mm時(shí)的模擬結(jié)果

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式對(duì)管線位移的影響

當(dāng)基坑支護(hù)的變形模式分別為鼓肚子變形、傾覆變形和踢腳變形時(shí)，管線和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移如圖13～圖15 所示，其中各種變形所控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移均為46.9mm。

圖13 支護(hù)結(jié)構(gòu)鼓肚子變形形態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果

圖14 支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆變形形態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果

圖15 支護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳變形形態(tài)時(shí)的模擬結(jié)果

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)圖5～圖15 的模擬結(jié)果，可得基坑開挖深度、基坑支護(hù)水平位移大小、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型都會(huì)對(duì)在役的鄰近管道造成一定的影響，總體而言無(wú)論哪種情況也會(huì)存在著管線離基坑距離越遠(yuǎn)（達(dá)到一定的距離），會(huì)隨距離越遠(yuǎn)影響越小，不過(guò)具體情況需具體分析，根據(jù)上述模擬結(jié)果，整理出管線的位移模擬結(jié)果，并以折線圖的形式所展現(xiàn)，一同整理于圖16～圖18中。

圖16 不同基坑開挖深度對(duì)不同距離管線位移影響規(guī)律圖

由圖16～圖18可得到基坑施工對(duì)于鄰近管道的影響與管道與基坑的水平間距、基坑開挖深度、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形形態(tài)等方面相關(guān)，從以上模擬結(jié)果數(shù)據(jù)中可得到如下的3 個(gè)主要結(jié)論：

⑴由圖16 可知，當(dāng)基坑開挖深度為5m 和10m 時(shí)，坑邊管道的水平位移和豎向位移隨管道與基坑水平間距的增加均呈先增加后減小的趨勢(shì)，其中，管道在距離基坑10～15m 范圍內(nèi)受基坑開挖的影響最大且主要的位移為沉降。

⑵由圖17 可知，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移對(duì)坑邊管道的位移產(chǎn)生重要影響，總體上基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移愈大，坑邊管道的位移愈大。同時(shí)，當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移在35mm～45mm之間時(shí)，管道與基坑的水平間距大于35 時(shí)，基坑開挖引起的管道沉降和水平位移均小于10mm；當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移在20mm～35mm之間時(shí)，管道與基坑的水平間距大于25 時(shí)，基坑開挖引起的管道沉降和水平位移均小于10mm；當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移在10mm～20mm之間時(shí)，管道與基坑的水平間距大于15 時(shí)，基坑開挖引起的管道沉降和水平位移均小于10mm。

圖17 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與管線位移的影響規(guī)律圖

⑶由圖18 可知，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移形態(tài)對(duì)坑邊管道位移產(chǎn)生重要影響。其中，傾覆式和踢腳式的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形形態(tài)引起的坑邊管道的水平位移較大，均接近基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移；鼓肚子式的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形形態(tài)引起的坑邊管道的沉降較大。同時(shí)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)傾覆位移形態(tài)對(duì)場(chǎng)地變形的影響范圍最大，即使管道距離基坑已達(dá)45m，管道的水平位移仍然達(dá)到11mm；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)踢腳位移形態(tài)對(duì)場(chǎng)地變形的影響范圍較小，當(dāng)管道距離基坑超過(guò)20m，管道的水平位移和豎向位移即可控制在10mm內(nèi)；對(duì)于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)鼓肚子位移形態(tài)，當(dāng)管道距離基坑超過(guò)35m，管道的水平位移和豎向位移即可控制在10mm內(nèi)。

圖18 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移形態(tài)對(duì)坑邊管線位移的影響規(guī)律圖

4 結(jié)論

南沙某工程區(qū)范圍中的基坑管線工程地質(zhì)條件差，地下水豐富，同時(shí)有許多管線距離較近，同時(shí)根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB50497-2009），基坑開挖引起的壓力管道的位移預(yù)警值應(yīng)控制在10～30mm范圍內(nèi)，考慮到本項(xiàng)目管道埋深較淺且在深厚軟土地層中服役，因此，建議基坑開挖引起的燃?xì)夤艿赖奈灰瓶刂圃?0mm以內(nèi)，這種位移控制無(wú)疑會(huì)對(duì)基坑工程的質(zhì)量工程和管線的保護(hù)提出了較高的要求，本文通過(guò)研究基坑開挖深度、基坑支護(hù)水平位移大小、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式以及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)類型等因素對(duì)鄰近在役管道變形的影響規(guī)律，探索對(duì)基坑鄰近管線的合理合理保護(hù)形措施，得到的主要的結(jié)論如下：

⑴基坑周邊管道的水平和豎向位移均隨管道與基坑水平間距的增加呈先增加后減少的變化規(guī)律，其中，管道在距離基坑10～15m 范圍內(nèi)受基坑開挖的影響最大且主要的位移為沉降。若管道與基坑水平間距小于25m，應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)處理。

⑵基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移對(duì)坑邊管道的位移產(chǎn)生重要影響，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移愈大，坑邊管道的位移愈大。若基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的水平位移，且管道與基坑間隔不大，需對(duì)管道采用必要保護(hù)措施。

⑶基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移形態(tài)對(duì)坑邊管道位移產(chǎn)生重要影響，傾覆式和踢腳式的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形形態(tài)引起的坑邊管道的水平位移較大，鼓肚子式的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形形態(tài)引起的坑邊管道的沉降較大。當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆式位移形態(tài)，需對(duì)鄰近的管道采用必要的保護(hù)措施。