深基坑开挖对临近地下管线影响分析

赵平　袁海平

摘要：为研究深基坑开挖对临近管线的影响规律，选取合肥市某深基坑为研究对象，利用MIDAS-GTS三维有限元软件进行数值模拟，重点分析了临近管线材质、管线位置的改变在基坑开挖过程中对管线位移的影响.结果表明：基坑开挖对管线的竖向位移影响要小于水平位移，当管线弹性模量大于890Mpa时，管线位移趋于稳定，最大位移接近7mm.当管线距离基坑大于25m时，管线位移趋于稳定，最大位移接近8mm.

关键词：地下管线;基坑开挖;管线变形;数值模拟

中图分类号：TD353  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）09-0097-03

近年来随着城市建设的快速发展，大量的深基坑工程不断涌现.基坑开挖会使得周围土体产生位移，土体位移也会导致土体中掩埋的管线发生相应变形.将基坑开挖周围管线的变形规律研究清楚，有助于保证管线的正常使用.因此，对于深基坑开挖导致临近管线变形的研究具有重要的工程指导意义.

许多学者对基坑开挖对附近管线的影响做了不少研究.文献[1]研究了内撑式基坑在开挖过程中对地下管线的影响;文献[2]研究了在对基坑周围表面加载情况下基坑开挖对临近管线位移的影响;文献[3，4]利用有限元软件建立相关的三维模型，运用数值模拟对基坑开挖对临近管线的影响做了研究.这些文献中大量研究的是内支撑式基坑开挖，而对于悬臂式排桩支护结构的基坑开挖时对临近地下管线的影响研究较少.本文采用MIDAS-GTS软件建立三维有限元模型对实际工程进行数值模拟，研究了开挖过程中临近管线材质、管线位置的改变对管线变形的影响，为类似工程提供参考.

1 分析方法

1.1 土体本构模型

Mohr-Coulomb是剪切准则中最简单的模型，收敛速度较快，本文选用Mohr-Coulomb本构模型.

1.2 地下管线模拟与受力分析

本次研究对象为常用的混凝土管线，采用线弹性本构模型，混凝土管道采用平面应力板单元来模拟，以析取单元的方式生成管壁.

2 案例分析

2.1 工程概况

合肥市某基坑长和宽均为150米，基坑开挖深度为10m，基坑采用悬臂桩支护.采用混凝土预制圆桩进行支护，桩的嵌入深度为6.2m，基坑北侧有直径为1m的埋地管线穿过，如图1所示.H为基坑开挖深度，d为地下管线到基坑的距离，h为埋深.本案例影响宽度取3倍的开挖宽度，影响深度取3倍的开挖深度.考虑到研究对象的对称性，为了简化计算，取模型的一半进行分析.图1为基坑平面图，计算模型尺寸为：75m×150m×30m.图2为基坑剖面图，第一层为黏土;第二层为粉质黏土;第三层为风化岩.图3为模型网格划分图.模型底面边界采用固定约束，地表为自由面，其他四个边界之约束相应边界平面法向位移.

2.2 基本假定

（1）地下管线材料为均质线弹性材料;

（2）土体为弹塑性介质，也不考虑地下水的影响;

（3）围护桩结构采用实体单元模拟，按匀质线弹性材料考虑.

计算模型的力学参数见表1.

2.3 基坑分步开挖模拟

基坑开挖过程实施过程分三部分，具体内容见表2.

3 基坑开挖对附近管线位移的影响分析

3.1 管线材质影响

不同材料的管线，其受基坑开挖的影响不同.选取表3中四种不同材料管线在基坑开挖时进行对比研究.四种材料的厚度依据规范选取，其他条件均相同.管道的材料参数见表3.

通过分析对比图4可以发现，基坑开挖会对临近管线水平位移产生影响，管线越靠近进坑中部，水平位移越大，基坑中部位置处管线水平位移影响最大.PVC管的弹性模量最小，受基坑开挖的影响最大，最大水平位移为54mm.钢管的弹性模量最大，受基坑开挖的影响最小，最大水平位移为7mm.当管线的弹性模量小于890Mpa时，管线的水平位移受基坑开挖影响较大.当管线的弹性模量大于890Mpa时，管线的水平位移仍然会受到基坑开挖的影响，但影响较弱，最大水平位移为7mm.

通过分析对比图5可以发现，基坑开挖会对临近管线竖向位移产生影响，且对基坑中部位置处管线竖向位移影响最大.PVC管的弹性模量最小，受基坑开挖的影响最大，最大竖向位移为26mm.钢管的弹性模量最大，受基坑开挖的影响最小，最大竖向位移为9mm.当管线的弹性模量大于890Mpa时，基坑开挖对管线的竖向位移影响大大减弱，最大竖向位移约为7mm.由此可见，随着弹性模量的增加，材料抵抗变形的能力越强，基坑开挖对管线的影响变小，但与土体的变形协调能力越差，产生的附加应力越大.当管线材料的弹性模量小于890Mpa时，管线水平位移受影响较竖向位移大，施工时要加强对管线水平方向的保护.当管线材料的弹性模量大于890Mpa时，基坑开挖对管线的水平和竖向位移影响都较小，且最大值均接近7mm.

3.2 不同水平位置管线位移对比

基坑临近管线所距离基坑的距离不同，管线受基坑开挖的影响程度也不同.图6为管线水平位移曲线，图7为管线竖向位移曲线.

从图6可以看出管线的水平位移随着管线到基坑的距离的减小而增大，管线在基坑中部位置的位移达到最大值.当埋地管线距离基坑大于25m时，管线各个部位位移受基坑开挖影响较小，最大水平位移和最大竖向位移均接近8mm.当d=30m时，管线的最大水平位移为8mm.当d=20m时，管线的最大水平位移为17mm.当d=5m时，管线的最大水平位移为26mm.说明基坑开挖对管线的影响随着管线远离基坑而减弱.

图7表明，当d=5m时，管线的最大竖向位移为24mm，管线的最小竖向位移为4.2mm.当d=15m时，管线的最大竖向位移为13mm，管线的最小竖向位移为4.8mm.当d=30m时，管线的最大竖向位移为7.6mm，管线的最小竖向位移为4mm.由此可知，基坑臨近管线所距离基坑的距离不同，管线受基坑开挖的影响程度也不同.管线距离基坑越远，管线的变形越小，在距离基坑大于25m时，基坑开挖对管线的影响不明显，管线的水平位移和竖向位移都非常小.管线水平位移受影响较竖向位移大.因此在施工过程中，在符合规范要求的前提下，尽量使管线远离基坑.

4 结论

（1）基坑开挖会对邻近管线位移产生影响，随着弹性模量的增加，材料抵抗变形的能力越强，基坑开挖对管线的影响变小，基坑开挖对管线的竖向位移影响要小于水平位移，当管线弹性模量大于890Mpa时，管线位移趋于稳定，最大位移接近7mm.

（2）管线距离基坑越近，水平位移和竖向位移越大，管线距离基坑越远，水平位移和竖向位移越小.当管线距离基坑大于25m时，管线位移趋于稳定，最大位移接近8mm.因此在施工过程中，在符合规范要求的前提下，尽量使管线远离基坑.

（3）基坑开挖过程中，临近管线的最大位移发生在基坑中部位置，该位置处的管线位移最大，最易破坏，施工时应加以保护.

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参考文献：

〔1〕李大勇，吕爱钟，曾庆军.内撑式基坑工程周围地下管线的性状分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23（4）：682-687.

〔2〕程涛，许万辉，胡仁杰，余宗源.深基坑开挖引起邻近管线位移影响的数值分析[J].土木工程与管理学报，2016，33（6）：16-21.

〔3〕王成华，段贤伟.基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析[J].地下空间与工程学报，2013，9（5）：1166-1172.

〔4〕蔡建鹏，黄茂松，钱建固，徐中华.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）：120-125.