基坑开挖对上方既有管线影响的数值分析

陈朝阳，赵鹏程，赵勇，汪志强，卜旭东

（1.中铁四局集团第二工程有限公司，江苏 苏州 215131；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009）

1 引言

随着城市化的快速发展，在城市中心修建地下隧道会不可避免与城市既有供水管线、燃气管线等相交叉，地下管网素有“城市生命线”的美称，常出现在人口密集、场地狭小的环境中，在如此复杂的条件下进行深大基坑作业，基坑开挖过程势必会导致周围管线安全受到影响。采用明挖法修建的地下隧道遇到周边有市政管线时，在基坑开挖前可以迁改的已经迁改完成，但某些管线由于条件限制不能迁改的同时须保证其正常使用的功能，因此如何做好市政管线的保护工作是此类问题的关键所在。

目前针对市政工程中管线保护的主要措施有：隔离法、悬吊法、支撑法、卸载保护法、临时迁拆法等几种方法[1]，针对相关问题国内外学者也做了大量的研究。韦凯等[2]研究了盾构隧道下穿管线施工过程中不同应力释放率和不同掘进面推力对地下管线沉降的影响。蔡东明等[3]对广渠路东延工程中横跨基坑的雨水管线进行悬吊保护设计，并对该方案进行结构计算，该设计方案可为类似工程提供参考。郜新军等[4]基于有限元分析方法，建立了基坑及邻近管线的三维整体数值模型，分析了深基坑开挖过程中邻近管线的位移变化规律并对其安全性进行了评价。杨佳春[5]利用有限元软件对基坑周边管线进行数值计算，归纳总结了基坑开挖对不同管线造成的位移变形特点，为隧道基坑周边管线的合理优化提供了依据。李大勇等[6]建立了同时考虑基坑围护结构、土体与地下管线变形耦合作用的三维有限元分析模型，对地下管线保护措施的几种方法进行了数值分析。金祎等[7]运用有限元软件模拟基坑开挖引起大直径管线位移的变化分析了基坑开挖引起的管线水平位移的竖向位移规律。

本文以苏州永方路和春申湖路交口隧道基坑开挖工程为背景，结合基坑开挖和供水管线悬吊保护施工工艺，使用Midas/GTS软件对施工过程进行三维数值计算，分析基坑开挖过程中其围护结构和供水管线的变形及受力情况，为该基坑支护及管线保护方案的设计及施工的合理性提供了依据。

2 工程概况

永方路节点隧道沿春申湖路东西走向，主线采用两孔一管廊形式，行车孔净宽13.1m，中间管廊净宽1.8m，中隔墙厚度0.5m。该节点结合交通、其他管线迁改设计方案，将给水管所在的永方路与春申湖路交叉口作为一个独立基坑施工，基坑设计长度约38m，基坑宽度30.8 m，开挖深度约12.5 m。隧道基坑下穿苏州水务集团DN1800（浑）和DN1400（清）自来水水管，水管呈南北走向，与隧道中心线夹角为80.6。。管道材质均为钢管。根据物探成果，永方路节点处 DN1800水管顶标高 2.21～2.31m，DN1400水管顶标高2.02～2.16m。

拟建工程位于苏州市相城区，场地属长江三角洲太湖流域冲湖积平原区，地貌形态单一，地形总体较平坦。根据施工现场地质数据，该节点隧道基坑涉及的土层自上而下分别为①2杂填土、①3素填土、③1粘土、③2粉质粘土、④1粉质粘土、④2粉土、⑤粉质粘土、⑥1粘土。各土层参数如表1所示。

图1 永方路节点基坑三维示意图

土层力学参数 表1

3 数值计算分析

3.1 建立模型

使用有限元软件Midas/GTS建立三维模型，重点分析基坑围护结构及管线的变形规律，为简化计算，作出如下假设条件：

①各层土体均为各向同性均质的理想弹塑性体，符合Mohr-Coulomb屈服准则，各土层间均匀、水平层状分布，场地无起伏；

②由于工程实际情况中，施工时在基坑双侧需要先进行降水处理，使得施工区域内地下水位一直维持在坑底设计标高之下，所以假定模拟时忽略地下水位的影响；

③土体符合摩尔库伦模型，基坑围护结构及内支撑体系等均为弹性体。

建立的三维模型如图2所示。

图2 三维模型示意图

图3 悬吊保护体系模型

三维有限元模型尺寸为150m×130m×50m，基坑尺寸为 30.8m×38m，采用板壳单元模拟基坑围护结构及供水管道，采用梁单元模拟混凝土支撑及钢支撑，土体单元采用混合网格生成器生成，模型共83963个单元，43408个节点。模型中土体采用摩尔库伦模型，围护结构及内支撑体系、悬吊体系等均采用弹性模型。

图4 围护结构水平变形云图

图5 地连墙水平位移随开挖深度变化曲线

3.2 围护结构变形分析

基坑开挖及管线悬吊结构施工完后，得到基坑围护结构的水平位移云图，如图4所示。

图4位移云图直观显示了基坑开挖在空间效应下的变形规律，可以看出，整个围护结构变形呈“内凹”型，呈中间大两头小的趋势，围护结构的角部由于坑角效应的存在，其刚度远大于其他部位，从而导致角部地连墙的变形较小。水平位移最大值位于MJS工法施工区域，这是由于该部位没有施工钢支撑，致使其变形较大。图5是地连墙水平位移深开挖深度的变化曲线，图中可以看到随着土体开挖和内支撑架设等工况的实施，地连墙水平位移深度增大先增加后减小，且最大水平位移的埋深位置随开挖深度的增加而增加。，最大水平位移的位置也随开挖深度的增加而下移，开挖到底部时，最大水平位置稳定在埋深18 m处，最大值约为6 mm。

3.3 坑底隆起分析

图6 坑底土体隆起位移曲线图

由上图可知，坑底隆起最大值位于基坑中心，坑壁两侧土体的隆起值较小，主要是因为受到地连墙等围护结构的影响，距地连墙较远处的隆起位移越大，因此，图中基坑隆起曲线出现“中间高，两边低”的现象，且在模拟的理想状态下，隆起曲线基本与基坑中心线对称。并且随着基坑开挖，坑底隆起值不断增加，第一次开挖由于开挖量较少，土体发生了2 mm的沉降，随着开挖深度增加，隆起值越来越大，开挖至坑底时，基坑隆起最大值为43 mm。

图7 管线竖向位移云图

3.4 供水管线位移分析

由于第一次开挖和第二次开挖由于没有施工悬吊支护体系，管道均发生沉降，第二次开挖至管道下方0.5 m处施工悬吊体系，施工悬吊支护体系后，由于坑底隆起导致的格构柱上移，力经过格构柱传到混凝土梁，再经过拉杆、悬吊横梁传给供水管道，会导致管线向上隆起，随着开挖深度增加，坑底隆起越大，管道向上弯曲幅度越大，开挖至基坑坑底时，管道竖向位移达到最大值13 mm。由于DN1400管道所受重力小于DN1800管道，故竖向位移最大值位于DN1400管道中部。

4 结论

本文通过对永方路节点基坑开挖时管线悬吊保护施工过程进行三维数值计算，分析基坑开挖过程中基坑围护结构和管线的变形规律，得出以下结论。

①围护结构水平变形呈“内凹”型，变形最大值为6 mm，位于墙体埋深20 m位置处，坑角部分由于其刚度较大导致变形较小。地连墙水平位移深度增大先增加后减小，且最大水平位移的埋深位置随开挖深度的增加而增加，坑底土体隆起值随基坑开挖深度增加而增大。

②坑底隆起会导致格构柱向上位移，力经由格构柱、混凝土支撑、拉杆、钢横梁传递至供水管线，导致管线向上变形。由于DN1400所受重力较小，管线位移最大值位于其中部，其变形曲线近似呈抛物线。