深基坑开挖引起邻近管线位移影响的数值分析

程 涛， 许万辉， 胡仁杰， 余宗源

(1.三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002； 2.湖北理工学院 土木建筑工程学院， 湖北 黄石 435003；3.咸宁高新投资集团有限公司， 湖北 咸宁 437099)

深基坑开挖引起邻近管线位移影响的数值分析

程 涛1,2， 许万辉1,2， 胡仁杰1,2， 余宗源3

(1.三峡大学 土木与建筑学院， 湖北 宜昌 443002； 2.湖北理工学院 土木建筑工程学院， 湖北 黄石 435003；
3.咸宁高新投资集团有限公司， 湖北 咸宁 437099)

基于弹塑性平面应变有限元方法，分析了某大型深基坑开挖过程中临近管线的位移变化规律。基于Abaqus软件，引入莫尔-库伦为屈服准则的本构模型，采用平面应变四节点单元形式，利用单元生死功能模拟基坑开挖全过程，以计算基坑开挖过程中周边煤气管、配水管位移变动情况，并和实时监测数据进行对比，得出计算值与监测值的规律一致，验证了计算方法的合理性。在此基础上，分别分析了内支撑、桩体刚度以及表面堆载对管线位移的影响规律。研究结果表明：内支撑对控制基坑周边管线位移起着极其关键的作用；随着桩体刚度的增大，管线沉降会逐渐减小；表面堆载的增大，则会导致管线位移的增大，但是后两个因素的影响相对不显著。

深基坑； 弹塑性； 平面应变； 管线位移； 内支撑； 桩体刚度； 表面堆载

深基坑工程起源由来已久，直至20世纪90年代以后在铁道工程和建筑工程中才得以盛行[1]。在深基坑工程发展过程中，众多学者对它进行过多方面的研究[2～5]。近年来，随着计算机技术迅猛发展，数值分析已成为工程领域中必不可少的手段，而它在基坑工程中的应用[6～8]也随即兴起。作为城市的生命线工程——管线工程，基坑开挖引起的安全隐患不容忽视，为了准确分析基坑周边管线位移，并对其实施必要安全管控，经过数值仿真计算掌握管线位移变化规律显得尤为重要。Crofts等[9]提出了一种针对由基坑开挖引起的邻近地下管线水平位移估算方法；蔡建鹏等[10]通过统计预测曲线,提出了基坑开挖对地下管线影响的DCFEM分析法；张海林等[11]采用Ansys软件建立了三维有限元模型,研究了深基坑开挖对周边地下管线的影响；李佳川等[12]采用空间8节点非协调等参单元来研宄开挖的空间效应,研究了管线的沉降分布规律,探讨了地下基坑开挖与纵向地下管线保护。

本文针对上海某深基坑工程实例，运用Abaqus有限元大型通用软件，简化基坑计算模型，利用软件中的单元生死功能，模拟基坑开挖全过程，以计算开挖过程中周边煤气管、配水管的位移变化情况，并和实时监测数据进行了对比。在此基础上，分别分析内支撑，桩体刚度以及面荷载对管线位移的影响规律，为基坑安全有序施工提供有效的技术支持。

1 工程概况

1.1 场地概况

工程位于上海市嘉定区，北临曹安公路，西近A20公路，场地地理位置示意图如图1所示。场地地貌属于上海地区四大地貌单元中的滨海平原类型，地形较平坦。拟建场地地基土均属第四纪松散沉积物，勘察90.0 m深度范围内揭露的地基土，按其结构特征、时代成因和物理力学性质可划分为7层及所属亚层。场地浅部土层中的地下水属于潜水类型，其水位动态变化主要受控于大气降水和邻近地表水体，地下水位埋深一般为 0.3～1.5 m，年平均水位为 0.5～0.7 m，低水位为1.5 m。

图1 基坑场地平面概况

1.2 基坑概况

本基坑工程开挖深度为15.20 m(主楼为15.9 m)，开挖面积为37130 m2，整体基坑近似呈“手枪型”，形状不规则，基坑场地平面概况如图1所示。场地东北侧邻近某国际商城，东南侧邻近某购物中心，南侧邻近某河流，河宽15～16 m，西侧为空地，场地北侧临近某公路，该公路下分布8条管线，分别为1条煤气管线、6条信息管线、1条配水管线。根据基坑周边环境，基坑安全性评估中需要重点考虑保护对象为基坑周边管线。本次计算选择基坑周边管线位移为分析对象，其中，以基坑北侧煤气管及配水管为例。管线规格及与基坑相对位置如表1所示。基坑维护结构组成成份包括：钻孔灌注桩、止水帷幕、钢筋混凝土支撑和立柱等，其中基坑开挖主撑尺寸分别为1200 mm×800 mm、1400 mm×800 mm、1300 mm×800 mm，钻孔灌注桩及支撑的混凝土设计强度等级均为C30，立柱距离北侧基坑边缘大约30 m。

表1 管线规格及与基坑相对位置

2 数值模拟

2.1 模型的简化

为分析基坑开挖对北侧公路下煤气管及配水管位移的影响规律，综合考虑分析问题的合理性、计算速度和模型规模，此计算采取二维有限元平面应变模型进行分析。其中，模型尺寸取150 m×57 m的长方体，基坑开挖宽度为立柱到基坑边缘30 m范围，基坑开挖深度为15.2 m，钻孔灌注桩长度为35.2 m，基坑设计水位按地面下0.5 m考虑。由于施工外加荷载原因，考虑基坑周边20 kPa的面荷载。基坑开挖剖面示意图如2所示。

图2 基坑剖面示意/m

基坑开挖分四道开挖，三道支撑，具体实施步骤如下：

(1)基坑开挖至地面下1.9 m；

(2)施工第一道钢砼支撑体系，轴线埋深为1.5 m；

(3)基坑开挖至地面下7.9 m；

(4)施工第二道钢砼支撑体系，轴线埋深7.5 m；

(5)基坑开挖至地面下12.6 m；

(6)施工第三道钢砼支撑体系，轴线埋深为12.2 m；

(7)基坑开挖至坑底(地面下15.2 m)。

2.2 模型参数

模型计算中，模型计算的边界约束条件假设为左右两侧边界不发生水平位移，下部边界不发生水平和垂直位移，上部边界为自由边界。土体采用Mohr-Coulomb为屈服准则的理想弹塑性本构模型，由于基坑开挖过程中土体是属于卸荷的过程，实际基坑开挖的弹性模量比压缩模量要大[13]，此处取1.5倍压缩模量作为计算土体的弹性模量。土的侧压力系数k和泊松比μ分别可以根据公式k=1-sinφ(φ有效内摩擦角)和μ=k/(1+k)计算得出[14]，具体土层划分及其相关物理参数如表2所示。钻孔灌注桩和内支撑假定为均匀弹性体，考虑灌注桩的间距折减，取其弹性模量为20 GPa。桩和土之间接触形式为考虑摩擦系数为0.8的硬接触，支撑和桩之间采用绑定约束。考虑到本文中基坑的侧边长都很长(相对于断面而言)，只在计算断面内有应变，与该面垂直方向的应变可忽略。因此本文建模选用平面应变分析方法来简化计算，将模型划分为36312个单元，模型统一采用平面应变四节点实体单元(简称CPE4单元)形式。利用Abaqus单元生死功能模拟基坑开挖过程中，考虑水对初始应力的影响，最终将模拟过程分为七个荷载步：(1)初始应力平衡；(2)面荷载的施加；(3)桩体的激活；(4)开挖第一层土体并施加第一道支撑；(5)开挖第二层土体并施加第二道支撑；(6)开挖第三层土体并施加第三道支撑；(7)开挖第四层土体，计算完毕。

表2 土层划分及其物理参数

2.3 结果分析

2.3.1 计算结果与监测结果对比分析

整理公路北侧煤气管与配水管的监测结果，分别对比煤气管和配水管在七个荷载步下垂直位移实测值和计算值的变化规律，如图3、4所示。

从图3中可以清晰的看出，煤气管垂直位移的计算值与实际监测值位移变化趋势是一致的，且它们最终沉降值较接近，其中实测值为87 mm，而计算值为86 mm。图4显示，配水管垂直位移计算值与实际监测值的位移变化趋势也大致相同，只是配水管垂直位移最终计算值比监测值稍大，绝对误差约6 mm，根据GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》[15]，此值在工程安全误差控制范围之内。图3、4都体现了管线的竖向位移主要是由基坑开挖卸载过程引起的，这遵循了卸荷引起变形的规律，较易理解。从图中还可以看出，在三段开挖和支撑的分步过程中，下降速率的实测值变化平缓而计算值更均匀、连续，这是由于实际工程中三段开挖和支撑工序是连续完成的，时间间隔较短，每一道工序下的变形还没完全稳定即进入到下一道工序，而计算分析是按照每一荷载步稳定之后才进入下一荷载步计算，变形释放更完全，因此，造成了图中在4～6荷载步中计算值和实测值的偏离，但是随着所有荷载步完成，所有工程变形完全释放，两者的结果十分接近，这也充分证明了计算的有效性和稳定性，可以较真实地模拟实际工况，达到较好的分析效果，以供对比参考。图3、4对比可知，配水管的最终竖向位移比煤气管小，这是由于配水管线离基坑边缘距离相对较大所导致的，这一规律也与实际情况相符。

图3 煤气管垂直位移实测值与计算值变化曲线

图4 配水管垂直位移实测值与计算值变化曲线

2.3.2 计算结果延展

以上监测结果与计算结果的对比分析，很好的体现了数值计算的有效性，为了更详细说明基坑开挖对管线位移变化的影响，此处对计算结果进行相关延展和说明。对于埋深较浅地下管线，地表竖向位移的变化情况可以从侧面反映其位移变化规律，第四开挖步中基坑周边地表垂直位移变化曲线如图5所示。图5中R1表示开挖第一层土体并施加第一道支撑；R2表示开挖第二层土体并施加第二道支撑；R3表示开挖第三层土体并施加第三道支撑；R4表示开挖第四层土体。从图5可以看出:距离基坑边缘4 m范围内的土体有小幅度隆起现象，这是由于基坑开挖导致土体自重应力的释放从而引起土体向上回弹；距离基坑边缘10～70 m范围内地表沉降明显，其中在大约30 m的地方地表沉降达到最大值；而距离基坑100 m以外，地表位移变化几乎为零。从表1可知，煤气管距离基坑边缘25.2 m，配水管距离基坑边缘58 m，由地表沉降规律再次体现了配水管最终的垂直位移小于煤气管。从图中还可以看出，随着基坑开挖的推进，地表沉降逐步变大，其中，第二步开挖(即第五荷载步)的整个过程中地表沉降最大，这与第二步开挖深度为第四开挖步中最大是相符的。

图5 第四开挖步中基坑周边地表垂直位移变化曲线

图6为煤气管与配水管水平位移计算值的变化趋势图，图中显示，煤气管和配水管的水平位移随着荷载步的进行呈逐渐增大趋势，符合位移变化规律。此外，基坑开挖的前四个荷载步中，煤气管的水平位移大于配水管的水平位移，而在基坑开挖第二步过程中，配水管的水平位移逐渐超过煤气管的水平位移。经过分析可知，在基坑开挖前期阶段，基坑周边环境受到的干扰还相对较小，由于煤气管离基坑边缘较近，因此它的水平位移大于配水管水平位移是比较合理的；在基坑开挖后期阶段，随着开挖继续，基坑释放的应力逐渐变大，加上内支撑的作用，致使维护桩体的大变形区域向它下半段转移，而这也影响了基坑周边土体的整体位移分布情况，最终导致了距离基坑边缘较远的配水管水平位移大于距离基坑边缘较近的煤气管水平位移。

图6 管线水平位移计算值变化曲线

3 管线位移变化规律

为进一步体现基坑开挖对邻近管线位移的影响规律，以上述基坑开挖模型为基础，定量研究了基坑开挖引起的周边管线位移变化与其内支撑、维护桩体刚度以及地表荷载之间的关系。

3.1 内支撑对管线位移变化影响

众所周知，内支撑作为基坑开挖维护结构之一所起的作用极其关键。在保持模型其他参数不变的情况下，分别通过对有内支撑和无内支撑情况下的基坑开挖过程进行数值计算，得出有、无内支撑情况下煤气管与配水管垂直位移的变化规律曲线图，如图7、8所示。从图中可以看出，在基坑开挖步还没开始之前，有内撑与无内撑情况下煤气管和配水管的垂直位移是完全相同的，但是，从荷载步第四步即基坑的第一开挖步开始，管线垂直位移在无内支撑情况下要大于有内支撑情况，并且随着基坑开挖步的继续进行，它们位移的偏差也逐渐扩大，该现象有力地凸显了内支撑对于基坑开挖变形的控制作用。按照实际施工工序情况，由于内支撑在基坑开挖之后才开始施工，所以它对之前的工序并不产生任何作用，因此，出现了在荷载步第四步开始之前，有、无内支撑对管线垂直位移并未产生影响的现象也就不足为奇了。细细观察图7、8，还可看出，在有内支撑情况下，随着开挖步的进行管线位移下降速率逐渐变小，而在无内支撑的情况下管线位移下降速率则逐渐变大，这不仅体现了内支撑对基坑周边管线位移控制的重要性，而且还说明了随着基坑开挖深度加大，对基坑周边管线位移的影响也将会增大。

图7 有无內撑情况下煤气管线垂直位移变化曲线

图8 有无內撑情况下配水管线垂直位移变化曲线

3.2 桩体刚度对管线位移变化影响

为了了解管线位移与维护桩体刚度之间的关系，同理，保持模型其他参数不变，分别取桩体的弹性模量为10、20、30、40 GPa，对基坑开挖过程进行模拟计算。得出不同桩体刚度下煤气管，配水管垂直位移变化曲线如图9、10所示。

图9 不同桩体刚度下煤气管线垂直位移变化曲线

图10 不同桩体刚度下配水管线垂直位移变化曲线

图9、10均显示，在前三个荷载分析步中，桩体刚度变化对管线位移的变化影响不大，它对管线位移的影响主要是在基坑开挖过程的后四步有较明显区别，这表明基坑还没开挖前，管线沉降是不受桩体刚度影响的，这与真实情况相符。从上图还可以看出，随着后四步荷载步的推进，累计沉降偏差在逐渐变大，这说明在基坑每一个开挖步过程中，管线垂直位移都随桩体刚度的减小而有所增大，由于增大值的累计，才出现如图中累计沉降差异逐渐扩大的现象，它从侧面体现了桩体刚度对控制位移变化的重要作用，因此，为了合理经济的设计施工，必须选择合适的桩体刚度。

3.3 地面荷载对管线位移变化影响

地面荷载作为基坑开挖工程中不可忽略的影响因素，它的改变对管线位移影响规律也必定受到关注。基于以上模型参数，分别变化面荷载为10、15、20、25 kPa，模拟基坑开挖过程，得出不同面荷载下煤气管和配水管垂直位移变化曲线如图11、12所示。

图11 不同面荷载下煤气管线垂直位移变化曲线

图12 不同面荷载下配水管线垂直位移变化曲线

从图中看出，随着地面荷载增大，除初始地应力平衡荷载步到施加地面荷载步之间，管线位移有明显的变化，在其他荷载步中管线位移基本处于平行状态，即荷载对基坑开挖的影响在施加面荷载的那一步已经得到了充分体现，而对后续荷载步所引起管线位移的变化不大。事实上，这是由于地面荷载从施工开始就贯穿工程整个过程，它对基坑开挖的每一步都造成了影响。因此，对于深基坑工程来讲，面荷载大小的确定，也极其关键和重要。

4 结 论

(1)运用平面应变弹塑性有限元简化计算基坑开挖引起管线变形问题，通过与实测对比，有较好的分析效果，计算值与实际监测值比较接近，其中，煤气管和配水管的位移计算值和实际监测值都随着开挖步的推进而逐渐变大，而它们的水平位移在基坑的第二步开挖过程中有个交替变化的过程。

(2)邻近基坑边缘4 m范围内土体有一定的隆起现象，在距离基坑4～100 m范围内地表有沉降，其中10～70 m范围内地表沉降相对明显，距离基坑100 m以外，地面位移变化几乎为零。

(3)在基坑开挖过程中，内支撑对维护基坑稳定起着极其关键的作用；随着桩体刚度增大，管线的沉降会逐渐减小；面荷载增大，则会导致管线位移的增大。但是，后两者都没有内支撑的影响显著。因此，在基坑维护设计时，要综合考虑内支撑，桩体刚度以及面荷载对周边管线的影响，以使深基坑工程更经济、高效运行。

[1] 韩秋石, 黄 涛. 国内深基坑支护技术发展综述[J]. 华东公路, 2014, (1): 89-92.

[2] 徐杨青, 王永宁, 程杰林. 模拟深基坑开挖和支护全过程的有限元数值分析[J]. 岩土力学, 2002, (s1): 157-160.

[3] 郑 刚, 颜志雄, 雷华阳, 等. 基坑开挖对临近桩基影响的实测及有限元数值模拟分析[J]. 岩土工程学报, 2007, (5): 638-643.

[4] Tian Linya, Hua Xisheng. Settlement prediction for buildings surrounding foundation pits based on a stationary auto-regression model[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2007, 17(1): 78-81.

[5] Luo Zujiang, Zhang Yingying, Wu Yongxia. Finite element numerical simularion of three-dimensional seepage control for deep foundation pit dewatering[J]. Journal of Hydrodynamic, 2008, 20(5): 596-602.

[6] 骆辉军. 某基坑工程分步开挖竖向位移数值模拟分析[J].公路与汽运, 2014, (3): 119-122.

[7] 刘玉恒, 黄 峰. 基坑开挖对邻近铁道影响的数值模拟分析[J]. 施工技术, 2014, (1): 83-86.

[8] Yu Xiaolin, Jia Buyu. Analysis of excavating foundation pit to nearby bridge[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2012, 5: 102-106.

[9] Crofts J E, Menzies B K, Tarzi A I. Lateral displacement of shallow buried pipelines due to adjacent deep trench excavations[J]. Geotechnique, 1977, 27(2): 161-179.

[10]蔡建鹏, 黄茂松, 钱建固, 等. 基坑开挖对邻近地下管线影响分析的DCFEM法[J]. 地下空间与工程学报, 2010, 6(1): 120-124.

[11]张海林, 邱卫民, 肖显强. 深基坑开挖对邻近地下管线影响的数值分析[J]. 安徽建筑, 2010, 17(4): 75-76.

[12]李佳川, 夏明耀. 地下连续墙深基坑开挖与纵向地下管线保护[J]. 同济大学学报(自然科学版), 1995, 23(5): 499-504.

[13]贾 堤, 石 峰, 郑 刚, 等. 深基坑工程数值模拟土体弹性模量取值的探讨[J]. 岩土工程学报, 2008, (s1): 155-158.

[14]王立忠, 李玲玲. 结构性软土非线弹性模型中泊松比的取值[J]. 水利学报, 2006, (2): 150-159.

[15]GB 50497-2009, 建筑基坑工程监测技术规范[S].

Numerical Analysis for the Displacements of the Adjacent Pipeline Caused by a Deep Foundation Pit Excavation

CHENGTao1,2,XUWan-hui1,2,HURen-jie1,2,YUZong-yuan3

(1.College of Civil Engineering and Arcitectiure, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.School of Civil Engineering and Arcitectiure， Hubei Polytechnic University， Huangshi 435003， China；3.Xianning High-tech Investment Group Co Ltd， Xianning 437099， China)

Base on the elasto-plastic plane strain finite element method, displacements laws of the adjacent pipeline caused by a deep foundation pit excavation are analyzed. The Abaqus software is adopted, Mohr-Coulomb constitutive model and CPE4 element type are introduced. The function of model changing and removing is applied to simulate the displacements laws of gas pipeline and water distribution pipeline during the whole excavation process. Then the computation results are compared with the real-time monitoring data. The results show that the calculated values are close to the monitoring values. Furthermore, the influence rules of the support styles, pile stiffness, surface load for displacements of the pipelines are analyzed respectively. It is shown that the support plays a critical role in the displacement of foundation pit surrounding pipeline. The settlements of pipeline will gradually decrease with the increasing stiffness of pile, while increase with the increasing surface load. But the last two factors are not as remarkable as the first factor.

deep excavation; elasto-plastic; plane strain; pipeline displacements; support; pile stiffness; surface load

2016-01-24

2016-04-07

程 涛(1975-)，男，湖北鄂州人，教授，博士，研究方向为岩土本构关系、岩土流固耦合仿真分析以及工矿废弃物资源化(Email：chthust@163.com)

湖北省自然科学基金(2012FKC14201)；湖北省教育厅自然科学基金重点项目(D20134401)；湖北理工学院优秀中青年创新团队计划项目(Y0008)

TU441+.6

A

2095-0985(2016)06-0016-06