深基坑开挖对近邻大直径管线的影响

2020-04-22胡方剑杨开放徐长节

科学技术与工程 2020年2期

金祎，柯磊，胡方剑，杨开放，徐长节,5*

(1.杭州市钱江新城建设开发有限公司，杭州 310020；2.杭州市市政设施监管中心，杭州310003；3.宏润建设集团股份有限公司，上海 200235；4.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，杭州 310058；5.华东交通大学江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌 330013)

目前，中国城市综合管廊的建设经过十几年的酝酿，逐渐在城市发展建设中起到了重大的作用。综合管廊一般沿道路建设，因此管廊基坑呈现出狭长型的特点，基坑工程因面对不同的开挖环境需采用相应地围护结构形式。尤其是管廊基坑工程集中在城市建(构)筑物的密集区域，为了保护周围建(构)筑物的安全，与之相关内容的研究逐步引起了工程界的重视。

Zhang等[1]通过改变敏感性参数研究基坑开挖引起管线的应力、应变和位移的变化；Tan等[2]根据现场实测数据研究管线变形与距离基坑位置的关系；在软土地区，李大勇等[3-4]考虑围护结构与土体的接触面模拟基坑开挖的过程，分析不同的土体加固方案对管线位移的影响；张陈蓉等[5-6]通过对比位移控制两阶段简化分析和控制阶段有限元两种方法，验证了简化方法的合理性，同时提出了关于保护管线的控制标准；杜金龙等[7]运用有限元软件分析不同的管径对管与土之间接触面的影响，得出关于管线的曲率、转角、最大应力和弯矩发生的位置；运用监测数据[8-9]引入风险指标计算和风险拟合，划分监测和预测管线的风险等级。

前人关于基坑开挖引起近邻管线位移的研究，基本上是从小直径管线的角度出发，没有对大直径管线做较多的研究；有些研究没有考虑管线自身刚度的因素，把基坑开挖引起土体的位移作为近邻管线的位移。为此，运用有限元软件模拟基坑开挖的过程，研究城市管廊的建设对近邻大直径管线的影响，并探讨了基坑开挖与管线埋设的三种深度关系，分析大直径管线因基坑开挖产生的竖向和水平方向位移，为相似工程的施工提供了参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

杭州市钱江新城沿江大道综合管廊基坑呈长条形状，开挖长度为2160 m，基坑开挖深度为5.0～16.0 m，开挖宽度10.3～10.7 m。基坑周边有需要保护的大直径污水管线，基坑坑边与污水管线水平距离相距4.0 m，本段污水管线由2根型号D2400的预应力钢筒混凝土管组成，污水管管径为2.4 m。由于基坑沿纵向方向开挖，根据基坑周围的开挖环境选取三种典型的基坑围护结构设计方案：钻孔灌注桩加内支撑、SMW(solid mixing wall)工法桩加内支撑和地下连续墙加内支撑。现以地下连续墙加内支撑为研究背景，基坑围护结构采用地下连续墙加四道内支撑的支护形式，地下连续墙为800 mm的C30混凝土，第一、三道为钢筋混凝土支撑，第二、四道为钢支撑，此处污水管埋深约10 m。典型的基坑围护剖面如图1所示。

1.2 工程地质条件

该工程地处钱塘江冲海积平原，场地滩淤幅度变化较大，土体具有高压缩性且部分土层缺失的特点，土体物理力学指标见表1。

1.3 管线位移监测

基坑开挖会改变周围土体的位移场，近邻管线也会产生相应的位移变化。由基坑开挖引起两条近邻管线沉降的监测值可知(图2)，管线的沉降量随着开挖时间的变化而线性增加，两根管线的沉降值趋势基本一致。基坑开挖初期，管线的沉降变化缓慢；随着基坑开挖深度的加深，管线沉降变化显著，这是由于基坑深度增加，增大了基坑内土体的卸荷对周围土体的位移场变化；当基坑开挖至坑底时，污水管的沉降逐渐趋于稳定，管线沉降的最大值为8.36 mm。

图1 基坑围护结构剖面

表1 土层物理力学性质指标

2 有限元模型的建立

2.1 数值边界

该基坑工程具有狭长型的特点，基坑的长度远大于基坑的宽度，因此应用有限元软件PLAXIS建立二维模型时可简化为平面应变的问题。模型的水平方向取基坑开挖深度的4倍，竖直方向取基坑开挖深度的3倍，即模型的X方向为60 m，Y方向为50 m，可以满足边界条件[10]，模型坐标原点如图3所示。

图3 有限元计算模型

2.2 本构模型及参数选取

2.2.1 土体本构模型

岩土工程实践表明，土体在破坏前实际上在荷载作用下处于小应变状态。小应变土体硬化模型(hardening soil model with small-strain stiffness，HSS模型)具有土体的剪切模量随应变增大而减小的特点，并且可以区分土体的加卸载刚度，因此使用HSS模型，HSS模型可以给出明确的土体卸载模量参数[11-12]，HSS模型土体参数见表2。

2.2.2 模型参数

数值模型的基坑开挖深度为16.0 m，采用地下连续墙加内支撑的围护结构形式，第一道钢筋混凝土支撑架设在-1.5 m，第二道钢支撑架设在-5.0 m，第三道钢筋混凝土支撑架设在-8.5 m，第四道钢支撑架设在-12.0 m。具体围护结构参数如表3、表4所示。

2.3 模型工况

有限元模型根据工程概况模拟施工步骤，分层进行土方开挖，同步架设相应支撑进行支护，关键工况如表5所示。

表2 HSS模型土体参数取值

表3 锚杆单元的围护结构参数

表4 板单元的围护结构参数

表5 关键工况开挖阶段

3 模型计算结果

3.1 模型验证

3.1.1 土体深层水平位移验证

应用有限元软件PLAXIS建立数值模型，计算结果表明模型中土体深层水平位移的计算值与实例工程的实测值相吻合。由于模拟开挖过程中，数值模型未能考虑基坑施工过程中对土体的扰动以及坑周部分动荷载的作用，导致基坑工程的实测值大于模型的计算值，但两者性状变化趋势一致。由基坑开挖引起的土体最大水平位移为9.54 mm，数值模型计算值为8.40 mm，两者相差11.95%且土体最大水平位移均位于基坑坑底附近，深层水平位移基本吻合(图4)。

图4 深层土体水平位移

3.1.2 管线位移验证

基坑开挖会引起周围大直径污水管线的位移变化，由有限元的模型计算结果可知(图5所示)，1号污水管的沉降量达到6.05 mm，工程实测值是8.36 mm，2号污水管的沉降量达到7.19 mm，工程实测值8.07 mm，有限元模型的计算值与工程的实测值两者相差13.94%。由于有限元模型未能考虑施工对土体的扰动影响，以及基坑周围部分超载的情况，所以有限元模型的计算值小于基坑开挖引起管线沉降的实测值。

图5 污水管计算沉降值

3.2 基坑开挖深度与管线埋设深度的关系

通过有限元模型可知土体卸荷会引起近邻管线位移变化，在基坑开挖初期[即基坑开挖的深度小于污水管线的埋深，图6(a)所示]，大直径污水管线周围的土体向坑内运动，因此污水管线随着土体产生向上的运动趋势；当基坑的开挖深度等于污水管线的埋设深度时[图6(b)所示]，管线周围的土体会带动污水管向坑内水平运动，污水管自身的收敛变化较为明显；当基坑的开挖深度大于管线的埋设深度时[图6(c)所示]，管线周围的土体引起污水管线产生向下的沉降趋势，大直径污水管线的位移较为明显。因此，不同的开挖深度会引起管线处于不同的运动状态。当近邻管线的基坑开挖时，需要注意基坑的开挖深度与管线的埋设深度关系，控制管线由于开挖深度不同引起的位移监测频率。

图6 土体位移场矢量

3.3 管线位移变化规律

3.3.1 管线水平位移

基坑开挖不仅会引起管线的沉降，同时还会造成污水管线的水平位移(图7所示)，随着基坑开挖深度的加深，污水管的水平位移逐渐增大；当基坑开挖至污水管线的埋设深度，污水管的水平位移变化最为明显，污水管的水平方向位移增加的速率为0.57 mm/m(即水平位移的增量与开挖深度的增量比值)；当基坑开挖至坑底时，污水管的水平位移逐渐趋于稳定状态，水平位移的最大值达到6.0 mm。当基坑开挖至污水管的埋设深度时，此时应增加控制污水管线水平位移的措施。

图7 污水管线变形

3.3.2 管线竖向位移

图8 污水管线不同方向的位移变化

基坑开挖时，土体卸荷同时会引起污水管竖向沉降和水平位移的变化(图8所示)。基坑内土体开挖较少时，污水管线竖向和水平的位移变化较小；随着基坑开挖深度的增加，管线的竖向和水平位移得到快速发展，当基坑的开挖深度达到8.5 m左右时，污水管线水平方向的位移大于竖向位移，这是由于基坑开挖阶段，基坑的围护结构处于悬臂工作状态，坑周土体主要向坑内产生水平运动，所以水平方向的位移大于竖向位移；当基坑开挖至12.0 m时，污水管线的竖向位移和水平位移接近，管线的竖向位移逐渐大于水平位移，这种发展趋势是由于此时基坑开挖较深，主动区产生较大的土压力迫使土体绕过围护结构的底端向坑内位移，深层土体的位移场发生了变化，因此污水管线受土压力的影响，管线的竖向位移大于水平位移，此时污水管竖向位移的增加速率为0.73 mm/m(即竖向位移的增量与开挖深度的增量比值)。在基坑开挖过程中，不仅要监测污水管的水平位移，同时也要做好关于污水管竖向位移的监测。