深基坑开挖对邻近地下管线影响的安全评价

王有林，许晓霞，陈 楠

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心，西安 710065)

深基坑开挖对邻近地下管线影响的安全评价

王有林1,2，许晓霞1，陈 楠1

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065;2.国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心，西安 710065)

基坑开挖改变了原有土体的应力平衡，使得相邻支护结构和土体侧移，必然导致地下管线向基坑内方向发生变形。文章基于某深基坑工程，采用数值模拟研究了基坑开挖、加载支护过程中边坡的应力、应变以及对黑河管线的影响程度等，通过对深基坑水平位移值、黑河管道总变形控制值的论证，提出了其相应的安全预警值，为基坑安全应急预案的制定提供了依据。关键词：深基坑；地下管道；数值分析；控制标准；安全评价

0 前 言

随着中国城市化进程的不断加快和建筑用地日趋减少，各种市政及轨道交通项目陆续开工建设，同时高层住宅、大型商业化设施也不断增多，从而使得工程建设中深基坑工程越来越多。基坑开挖不可避免地会造成周围地层扰动，对周边建筑、地铁隧道、大型地下管线等产生附加应力和变形，从而造成一定程度的损伤或破坏性影响。作为城市生命线工程的地下线缆、排水管网等管道工程，因其隐蔽性导致破坏不易发觉[1]，一旦产生破坏不仅会引起重大的经济损失，更将造成严重的社会及政治影响，且其损失是不可挽回的。

基坑开挖对周边环境影响预测与控制技术研究是一项非常重要的课题[2]，已引起广大科研、设计及施工人员的重视。现有研究分为2类：一类是采用有限元数值计算方法进行整体建模，模拟基坑开挖过程对邻近管道的影响[3-7]；另一类是位移控制分析方法[8]，不关注基坑开挖施工过程，将基坑开挖引起的土体位移作为控制条件，分析管道的受力和变形。

本文以西安某深基坑工程为依托，采用数值模拟手段，分析基坑开挖过程及开挖完成后对邻近管道的影响，在此基础上提出管道位移和强度的控制标准，从而为施工提供依据。

1 工程概况

1.1 基坑总体布置

某项目基坑形状为三角形，自北向南逐渐变小，基坑南北方向长约250 m，北侧宽约150 m，南侧宽约22 m。基坑东侧为G地块，与H基坑相距约50 m。基坑开挖深度为18.2～28.1 m，采用排桩+预应力锚索支护方案。基坑东侧为黑河输水隧洞(以下简称“黑河管线”)，管线与基坑东侧边线平行，管线中心距基坑东侧壁水平距离为21 m，埋深为现地面下21～22 m(见图1)。

图1 基坑与黑河管线的位置关系图 单位：mm

黑河管线为素混凝土结构，管道外截面呈马蹄形，开挖毛断面约3.3 m×3.3 m，衬砌厚度300～350 mm。管线分仓、分段浇筑施工，每段长度20 m，接茬处埋设止水胶条。目前基坑支护设计方案已进入黑河引水管渠的控制区域，需进行基坑开挖、支护及使用过程中对引水管线影响的安全评价。

1.2 基本工程地质条件

2 三维计算模型的建立

2.1 模型尺寸

基于有限元的基本理论，利用MIDAS/GTS建立三维模型，分析基坑开挖对邻近黑河管线的影响。为便于分析作以下假定：① 地下管线为等直径、等壁厚且不考虑接头影响，材料本构关系按线弹性考虑；② 土体假定为连续介质线弹性体；③ 假定管线与周围土体始终紧密接触，即变形过程中管线与土体没有相对滑动或发生脱离。

为了消除边界条件的影响，考虑到基坑东侧50 m以外的G地块基坑已经开挖的现状，三维模型计算边界取为410 m×150 m×50 m。按实际施工顺序进行数值模拟，分析基坑开挖对黑河管道整体变形造成的影响。在实际模拟中，基坑开挖的实际结构尺寸、施工工法、黑河管道的埋深、衬砌厚度等均按实际情况考虑；土层视为理想弹塑性体，强度准则采用摩尔-库伦准则；灌注桩、旋喷锚索以及黑河管道衬砌等均采用弹性本构模拟。其中旋喷锚索采用植入式桁架单元，灌注桩(采用等效刚度换算截面)及管道衬砌采用板单元模拟。三维整体有限元计算模型及支护结构布置见图2、3。

图2 三维有限元模型网格图

图3 三维模型支护结构空间布置图

计算模型的位移边界条件为：yz面上x方向位移被约束，y、z方向位移自由；xz面上y方向位移被约束，x、z方向位移自由：模型底面xy为固定约束；另外，模型四角竖线上点的xy方向位移被约束。

2.2 计算参数选取

计算参数的选取主要依据岩土工程勘察报告，同时参考了西安地区典型土层的物理力学参数指标，计算采用土层参数见表1，其结构单元截面特性见表2。根据勘察报告，场地内地下水水位位于隧道底板以下，故本次模拟不考虑基坑降水的影响。

表1 土层物理力学参数

表2 结构单元特性表

2.3 基坑分布开挖模拟过程

参照设计方案，开挖模拟步骤为：(1) 初始状态→(2) 施工上排桩→(3) 开挖→(4) 施工锚索→(5) 开挖→(6) 施工锚索→……，(12) 依次施工至平台段→(13) 施工下排桩→(14) 开挖→(15) 施工锚索→……，依次施工直至基坑坑底为止(见图4)。每层开挖深度2.5 m，分别模拟开挖至平台段和坑底时管线所受的最大应力和位移。

图4 开挖模拟步骤图 单位：m

3 数值分析

3.1 基坑变形分析

根据开挖支护过程模拟分析，上半部分在施工的11种工况下，水平位移最大值为-6.69～7.21 mm，工况序号为(11)，最大变形量位于上半部分基坑坑底13.6 m处，坑底隆起1.37 cm；下半部分在施工的9种工况下，水平位移最大值为-13.56～5.64 mm，工况序号为(20)，最大变形量位于下半部分基坑坑底28.1 m处，坑底隆起值为14.4 mm(见图5)。地表沉降值在开挖至平台阶段为1 mm，开挖完成阶段为1.5 mm。基坑顶部水平和垂直位移均不足15 mm，满足基坑变形控制标准。

图5 开挖完成后总变形矢量图

3.2 围护结构变形分析

(1) 锚索轴力

在开挖至平台段～开挖至坑底这一施工过程中，锚索轴力最大值的位置不同，开挖至坑底时对应的锚索轴力最大，为1 005.31 kN。

(2) 灌注桩变形分析

灌注桩在开挖过程中变形量较小，开挖至平台段时x方向变形量为2.78 mm，z方向变形量为2.08 mm；开挖至坑底时x方向变形量为4.14 mm，z方向变形量为12.53 mm。变形量均未超过15 mm，满足灌注桩变形控制要求。灌注桩最大弯矩发生在开挖至坑底，弯矩值为961.9 kN/m2，小于0.2倍极限弯矩值，支护结构安全级别达到一级，正常情况下无需采取措施。

3.3 黑河管线变形分析

当基坑开挖至平台段时，黑河管线受其开挖影响总变形量最大值为2.5 mm，x、z方向最大变形量分别为2.3 mm、-0.97 mm；当基坑开挖至坑底时，黑河管线受其开挖影响总变形量达到2.89 mm(见图6)，x、z方向最大变形量分别为2.84 mm、-1.24 mm。由此可见，黑河管线受基坑开挖影响主要发生在上半部基坑施工过程，黑河管线x方向变形为z方向的2倍，主要为水平位移，总体变形与开挖变形趋势一致，即其变形主要取决于周边土体变形值的大小。z方向变形量为负值，代表为沉降变形。

图6 基坑开挖至坑底管线变形云图

3.4 管线安全评价

基坑开挖改变了原有土体的应力平衡，使得相邻支护结构侧移，土体也随之发生侧移，必然导致地下管线发生向基坑内方向的变形，当位移达到变形的极限值时，将会引起拉裂破坏。同时土体位移作用在管线上，将产生附加应力，当附加应力超过管线材料抗拉强度时，管线将发生破裂。

(1) 容许强度

地下管线处于安全状态，强度需满足：

(1)

式中：δmax为管线截面所受的最大应力；δ为管线材料的容许强度。

根据数值计算，最大主应力在基坑开挖至平台段时为148 kPa，开挖至坑底段时为121 kPa，均远小于C15混凝土的强度，因此单从应力角度看不会引起隧洞混凝土破坏，控制管线安全的主要因素为土层变形引起的管线位移量。

(2) 容许变形量

现行规范规定[9]，当地下管线累计位移量不超过10 mm时，可满足变形控制要求。鉴于黑河管线属早期设计建造的输水工程，混凝土衬砌标号不高，设计采用标准较低，且目前管线已存在小量渗漏等实际现状，从管道构件安全、耐久的角度出发，现行规范控制标准偏低。黑河管线在本基坑段长约210 m，本段最多有12处分仓接头。管道各分段钢筋混凝土构件可视为刚形体，因基坑开挖引起的附加应力远小于自身材料的强度，因而各分段自身不形成裂缝，相对而言接缝处强度较低，认为裂缝主要在各段连接头处产生。根据SL654—2014《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》[10]，地下环境条件下，混凝土构件正截面的表面最大裂缝宽度不能超过0.3 mm。也就是各接头处裂缝宽度不能超过0.3 mm，若接头处产生的裂缝大于0.3 mm，则认为管道将产生渗漏等问题。12处接头产生的最大容许变形量为3.6 mm(12×0.3 mm)，且不允许产生大于0.3 mm的差异性变形。通过前述数值计算结果，黑河管线最大变形量为2.9 mm<3.6 mm，满足管线控制变形要求。表3为黑河管道变形控制标准。

表3 黑河管线变形控制标准

4 结 语

(1) 通过数值模拟，基坑坑壁和围护结构的最大变形量均满足变形控制要求；灌注桩产生的弯矩小于0.2倍极限弯矩，支护结构内力安全评价级别为一级，正常情况下无需采取其他措施。

(2) 黑河管线因基坑开挖遭受的附加应力最大值远小于材料自身强度，从应力角度不会引起管线破裂，控制管线安全的主要因素为土层侧移引起的管线累计位移量和差异性变形量。

(3) 根据混凝土最大裂缝宽度限值，提出了管线在该段最大容许变形量和差异性沉降差值。通过计算，基坑开挖产生的土体位移量小于管线容许变形量，满足管线变形控制标准。

[1] 张陈蓉,俞剑,黄茂松.基坑开挖对邻近地下管线影响的变形控制标准[J].岩土力学，2012,33(07):2027-2037.

[2] 李大勇,龚晓南.深基坑开挖对周围地下管线影响因素分析[J].建筑技术，2003,34(02):94-96.

[3] 左殿军,史林,李铭铭，等.深基坑开挖对邻近地铁隧洞影响数值计算分析[J].岩土工程学报，2014,36(S2):391-395.

[4] AHMED I.Pipeline response to excavation in-duced ground movements[D].New York:Cornell University,1990.

[5] 贾洪斌.深基坑开挖对周围地埋管线的影响分析[D].上海：同济大学，2007.[6] 郑刚,刘庆晨,邓旭,等.基坑开挖对下卧运营地铁隧道影响的数值分析与变形控制研究[J].岩土力学，2012,33(04):1109-1117.[7] 魏刚.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析[J].岩土力学，2013,34(05):1421-1428.

[8] 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(01):120-124.[9] 山东省建设厅.建筑基坑工程监测技术规范：GB5049-2009[S].北京：中国计划出版社，2010.

[10] 中华人民共和国水利部.水利水电工程合理使用平限及耐久性设计规范：SL654-2004[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

Safety Assessment of Impacts from Deep Foundation Pit Excavation on Neighboring Underground Pipeline

WANG Youlin1,2, XU Xiaoxia1, CHEN Nan1

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. High Slope and Geological Hazard Research Treatment Division of China Hydropower Technology Research and Development Center, Xi'an 710065,China)

The foundation pit excavation changes the stress balance of the original soil mass causing the neighboring support structure and soil mass to displace laterally. This definitely results in deformation of underground pipeline inward the foundation pit. Based on one deep foundation it, in the paper and by application of data analogy, the slope stress and strain during the pit excavation and support by loading as well as the impacts by the stress and strain on the pipeline are studied. Through demonstration on the horizontal displacement value of the foundation pit and the total deformation control value of the pipeline, the corresponding safety alert value is proposed. This provides preparation of safety emergency plan of the foundation pit with reference. Key words:deep foundation pit; underground pipeline; data analysis; control standard; safety assessment

1006—2610(2016)06—0097—04

2016-10-24

王有林(1983- )，男，青海省互助县人，工程师，主要从事水利水电工程地质勘察和地质灾害防治方面的生产科研工作.

TU473.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.025