大型深基坑开挖对周边防汛管线的影响分析及控制措施初探

孙春艳

(上海汀滢环保科技有限公司，上海 201707)

随着我国经济社会的发展，建筑业也如雨后春笋般地成长，各类超高层、超大层建筑物崛地而起，基坑的开挖深度和广度也逐步增加，尤其是北京、上海、广州、深圳等一线城市，基坑周边的环境条件愈发复杂，位于城市集聚区的大型深基坑建设，基坑开挖将面临较大的环境保护要求。地下防汛管线，是城市集聚区最常见的地下管线，是城市防汛除涝的重要渠道，防汛管线系统是极端暴雨天气下城市的重要保护屏障，管线一旦遭到破坏，后果不堪设想。

由于大型基坑建设规模大、开挖深度深，在周边存在防汛管线的基坑施工过程中，主体围护结构、基坑支护体系以及基坑土体的开挖方式和步骤，都会对邻近的防汛管线造成影响。尤其是施工期，基坑开挖造成坑顶卸荷，围护墙位移和基坑坑底隆起，引起基坑外土体损失，进而引起地面沉降，地下防汛管线一旦随土体产生位移变化，势必影响防汛管线安全。本文采用PLAXIS有限元软件，分别模拟分析上海市星港国际中心项目基坑开挖过程对公平路、东大名路、海门路、东长治路排水管线的影响，借助有限元软件建立基坑开挖数值模型，对基坑开挖过程中对邻近防汛管线变形的影响进行分析，根据数值模拟结果提出减小和控制管线变形的针对性方法，为类似大型深基坑工程对周边防汛管线的保护提供借鉴，减少类似事故的发生。

图1 项目平面相对位置

1 工程概况

上海市星港国际中心项目总建筑面积412419.3m2，设计共包括地下室6层，建筑面积182546m2，工程基坑规模大，深基坑平面尺寸为220m×40m，面积约30440m2，共划分为6个区。项目北侧紧邻地铁，临近地铁侧基坑设5层地下室，开挖深度介于16.8～23.8m之间，地下室底板底部标高为-25.0m，基坑总开挖面积为3155m2；剩余地下室均为6层结构，此处地下室底板底部标高为-28.5m，基坑总开挖面积27285m2；根据工程环境及基坑自身情况，基坑安全等级及环境保护等级均为一级。

深基坑工程主体围护结构采用地下连续墙结构型式，项目地下工程基坑围护结构采用1.2m厚地下连续墙结构，围护结构深度介于50.0～55.0m之间，地连墙采取3循环垂直水泥土搅拌墙进行施工，对地连墙两侧槽壁进行加厚处理，外圈外侧加固方式为借助单排700mm厚TRD工法进行，剩余部位加固方式借助φ850@600三轴水泥土搅拌桩进行。基坑分为6个区，明挖顺作，共设6道钢筋混凝土支撑，支撑平面布置主要为对撑与角撑组合的形式。

2 基坑周边防汛管线情况

基坑周边环境紧凑、复杂，基地四周路面下均分布有较多雨污水管线，见图1，雨污水合流管径大，多数管道距离基坑在0.5倍基坑开挖深度范围内，对基坑周边防汛管线各项数据进行统计，结果见表1。

表1 周边防汛管线一览表

3 防汛管线位移变形控制标准确定

国内相关技术规范及标准对地下管线变形控制(水平位移、垂直位移)指标提出了明确要求，见表2，由此确定该基坑工程项目区周边防汛管线的控制标准，见表3。

表2 地下管线报警值控制值

表3 防汛管线变形控制标准

4 基坑施工对防汛管线的影响计算和分析

4.1 模拟方法

基坑开挖过程中随着坑内土体的开挖卸载，基坑开挖深度的逐渐增加，使得基坑周围土体原有土压力平衡遭到破坏，在主被动土压力差作用下，基坑围护结构出现位移［1］，基坑周边防汛管线在坑周土体变形影响下产生位移，其位移量与距离基坑边距离呈负相关关系。应变分析的主要源头为应力分析，常见方法主要有经验法、数值分析法及弹性地基梁法。有限元法适于处理土体变形产生的一系列非均质体、非线性的复杂边界问题，本文采用数值分析方法，利用PLAXIS有限元计算软件，简化计算剖面进行分析，建立与施工条件相一致的平面有限元模型，通过数值模拟计算，对基坑开挖引起的周边防汛管线变形影响进行预判。

土体采用Mohr-Coulomb模型，确保模拟单元内的任何一个平面都能够有效遵守Coulomb摩擦定律。基坑开挖过程中，围护结构同土体之间产生相互作用，数值模拟过程中采取弹塑性无厚度的Goodman接触面来模拟这种相互作用关系。

依据建立的深基坑开挖数值模型，对基坑施工过程进行数值模拟，分析基坑土体开挖过程对于防汛管线位移的影响。采用PLAXIS有限元计算软件对施工阶段进行模拟过程中，借助于“单元生死”的方式实现基坑土体开挖及支护体系的施工，本工程深基坑采取明挖顺做法进行施工，根据基坑施工现场真实施工情况结合合理假设动态模拟基坑开挖的整个过程。

4.2 计算参数

结合工程地质勘查成果，参考周边工程地质勘查及施工数据，整理本工程基坑开挖范围内各层土体的物理力学参数，见表4。

表4 项目区土层物理力学性质参数

4.3 分析模型建立

4.3.1 计算区域

基坑工程西侧、南侧、东侧分析模型深度取距离围护桩顶70m，模型总宽度85m；基坑北侧对C区的基坑分析模型深度取距离围护桩顶70m，模型总宽度100m。模型界面以水平方向为X轴方向，重力方向为Y轴方向，并对基坑周边边界施加位移约束。在单元选取上选用等三角形十五节点平面单元对土体进行单元划分。

4.3.2 计算工况

计算工程初始应力场(地下水位取地表下1.5m)；对上述步骤产生位移归0；激活基坑围护设施和周边道路荷载。

基坑外水位为-1.5m(相对地面标高)；基坑内降水至坑底-0.5m处(相对坑底标高)；根据现场情况选取坑边超载为20kPa；基坑土体开挖至坑底。

4.3.3 模拟施工步骤

围护桩施工→基坑降水→坑顶卸荷→开挖至第一道支撑→设置第一道支撑→开挖至第二道支撑→设置第二道支撑(依次进行)→开挖至坑底。

5 基坑施工对防汛管线的影响计算与分析

在对计算结果进行分析过程中，将管线位移取为其所在位置土体的变形量，根据该方法经模拟得到基坑开挖过程中研究管线的总位移、水平位移及竖向位移，并提取位移云图，见图2～图5。

图2 基地东侧海门路基坑开挖到坑底时的土层水平变形及垂直变形

图3 基地南侧东大名路基坑开挖到坑底时的土层水平变形及垂直变形

图4 基地西侧公平路基坑开挖到坑底时的土层水平变形及垂直变形

图5 基地北侧东长治路基坑开挖到坑底时的土层水平变形及垂直变形

根据模型计算结果，统计基坑开挖对周边防汛管 线的影响变形量，见表5。

表5 周边防汛管线变形计算成果

基坑开挖过程中随着坑内土体的开挖卸载，基坑周边土体应力被逐步释放，在基坑内外主被动土压力差作用下基坑周边土体发生变形，进一步使得基坑周边防汛管线出现位移［2］。本基坑工程项目为大型深基坑工程，基坑面积大、深度深。基坑围护方案在钢筋混凝土地下连续墙+两侧三轴搅拌桩槽壁加固及6道1.2m×1.0m横向钢筋混凝土支撑设置下，临近雨污水管线水平位移均在允许范围内，该理论计算结果的条件是随挖随撑，最大化地降低土体位移场的变化。同时，由于距离基坑较近，受基坑开挖及施工荷载的影响，对基坑外形成正弯矩，理论计算管道垂直变形均超出报警值，特别是基地东侧海门路下DN900雨污水合流管、基地东侧海门路下DN900雨污水合流管管径较大，又是区域重要排水管线，一旦破坏，后果严重。因此，应提升基坑围护方案中控制竖向变形的措施，施工期间控制竖向荷载，并加强对所有管线的重点监测保护，制定相应的动态保护措施和应急抢险方案，防止意外的发生。

6 预防管线变形的控制保护方案

6.1 处理措施

针对管线发生的垂直位移变形可能超过允许变形量的情况，需采取有效的保护方案和措施。处理措施主要分为3个方面。

a.从源头上保护。加强围护墙结构设计、降低地下水位、合理确认开挖方式等，减少因有效应力增加引起的不均匀沉降。

b.从传播途径上保护。管线与基坑之间采取隔断措施，使应力传递中断，减少管线周边土体的沉降变形。

c.提高周围环境抵抗变形的整体能力。

6.2 保护方案

针对本项目防汛管线计算结果，提出如下周边防汛管线的保护方案。

a.桩基施工前，在管线与桩基之间采取静压钢板桩的隔离措施，以防止防汛管线周围土体受压变形。

b.基坑周边管线上部路面进行硬化，采用C30、300mm厚钢筋混凝土进行硬化处理。钢筋采用直径20mm钢筋，纵、横向间距均为20cm，网片结构布置［3］。

c.地面设置防汛管线走向的警示标志及标识牌。

d.由于承压水头勘察期间与施工期间可能存在变化，基坑开挖前对承压水再次进行试验，结合施工前试验数据以及底板局部深坑的最终挖深，采取合理措施分级按需对承压水降压，控制减少降承压水对防汛管线的影响，确保基坑的安全施工，保护周边防汛管线。

e.为防止支护结构变形过大，基坑开挖过程中严格控制开挖深度1倍范围内移动荷载，并严禁在该范围内堆载。

f.管线的变形主要由周围土体变形引起，土体开挖应该注意时间效应，并严格按照施工方案分层、分块开挖，并注意随挖随撑，尽量减少支护结构无支撑暴露时间，防止土体流变的产生。

g.施工过程中加强对管线的水平及垂直位移监测控制，如产生超过日报警值2mm/d或累计8mm/d的情况，及时告知参建各方，以便及时对超报警值管线采取相应的保护和加固措施。

7 监测结果分析

项目监测过程防汛管线水平监测布点84个，垂直监测布点109个，监测频率1次/天、2次/周，根据项目自桩基施工至地下结构出0.00mm地面后的整个过程及后续半年时间的监测成果，沉降累计值最大的点为公平路上的Y3点，DN600雨污水合流管线，水平变形5.78mm，垂直变形-9.85mm，并趋于稳定，管线无结构性及功能性损坏，沉降变形与PLAXIS模型在施工前根据围护方案计算的管线变形结论基本一致，管线竖向变形模拟值整体大于实测值［4］。

8 结论

大型深基坑开挖过程中，大面积的土方卸载势必引起基坑周围土体的位移场变化，对周边环境产生不利影响，尤其是对临近防汛管线的正常使用可能产生较大的安全隐患［5］。

通过采用有限元计算结果及监测结论，提出以下结论：按基坑实际分区顺序、开挖及支撑顺序执行，严格模拟实际施工过程，更利于保证结果与实际发生情况的分析一致性；管线的变形主要由周围土体变形引起，土体开挖应注意时间效应，基坑开 挖应有效借助“时空效应”原理进行施工组织，按照限时开挖原则规范施工过程［6］；按照施工方案规范各项工艺流程，注重支护体系及时施工，防止超挖，减少土体流变；加强施工过程中基坑外侧荷载控制，尤其是1倍基坑开挖深度范围内，严禁堆载；施工道路的硬化对防汛管线的保护具有有利作用；加强施工过程中的监测，对发生报警值的管线及时采取相应加固措施，对防汛管线变形进行针对性的预控。