深基坑开挖对周边地下管线的影响

2021-12-07汪东林李超群吕秋玲

湖北理工学院学报 2021年6期

汪东林，李超群，吕秋玲

(安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥 230601)

近年来，我国深入推进新型城镇化建设，人口日益向城市集中。为了缓解城市内土地匮乏的问题，人们不断地向地下空间探索[1-2]。随着地下空间工程不断发展壮大，深基坑的开挖与支护也成为各大工程中的重要一环。在深基坑工程开挖过程中，土体应力释放可能会导致基坑内外存在应力差，导致周围土体变形，从而对周围的管线产生影响[3]。值得注意的是，在实际工程中，管线的受力和变形情况往往不易监测，但是可以在MIDAS GTS NX 软件中对开挖过程中管-土协同变形进行准确模拟[4]。

结合长沙市某电力隧道出线井深基坑开挖工程实例，使用MIDAS GTS NX软件建立三维有限元模型进行数值模拟分析，依次从管线埋距的变化、管线埋深的变化、管线材质的变化3个方面探究深基坑开挖过程中地下管线的位移变化规律，为类似深基坑工程周边地下管线的保护优化及维护结构的设计与施工提供了重要参考。

1 工程概况

长沙市某电力隧道出线井工程基坑开挖面尺寸为15 m×20 m，开挖深度为30 m。支护体系为厚1 m的地连墙，外加7道内支撑(3道砼撑+4道钢管撑)，嵌固深度为15 m。

2 模型的建立

2.1 基本假定

假定各种材料均匀连续，分析过程中仅考虑基坑开挖和支护的影响，不考虑基坑降水。土层采用修正摩尔-库伦本构模型，各结构部件采用弹性本构模型。

2.2 模型参数选取

依据基坑开挖深度并结合相关工程经验，取计算模型尺寸为200 m×200 m×90 m。对所建模型底面施加固定约束，周围4个面施加法向约束，地表为自由面。结合地勘资料确定模型中相关土体参数，土体基本物理学参数见表1。模型中维护结构材料基本参数见表2。

表1 土体基本物理学参数

表2 模型中维护结构材料基本参数

2.3 施工阶段模拟

本次分析主要考虑基坑开挖过程及支护结构施工过程对临近地下管线的影响，故对初始地应力场和管线施工过程引起的土体位移进行清零。计算模型与网格划分如图1所示。支护结构与管线的相对位置关系如图2所示。施工阶段模拟步骤见表3。

图1 计算模型与网格划分图2 支护结构与管线的相对位置关系

表3 施工阶段模拟步骤

3 数值模拟结果与分析

因几何模型对称，管线沿Y轴方向数值模拟结果可看作以Y=100为轴对称分布，故下文仅取管线沿Y轴0～100坐标段的数据进行分析。

3.1 基坑开挖对不同埋距管线的影响

选取5根直径为600 mm的混凝土管，埋置深度均为3 m，与基坑边缘的距离分别为10 m，20 m，30 m，40 m，50 m，其余条件相同。不同埋距下管线水平和竖向位移数值模拟结果分别如图3和图4所示。

由图3可知，管线的水平位移随着管线和基坑之间的距离增大而逐渐减小，管线的最大水平位移为3.89 mm，出现在埋距10 m处。当埋距大于40 m后，基坑开挖对管线影响显著减小。在埋距50 m处，最大水平位移为0.393 mm。每根管线的最大水平位移均发生在基坑开挖面的中部位置。

图3 不同埋距下管线水平位移数值模拟结果

由图4可知，随着管线和基坑之间距离增加，管线的竖向位移逐渐减小，埋距与管线竖向位移成反比。每根管线的竖向位移在靠近基坑开挖面中部位置处达到最大值。同一埋距处管线的水平和竖直方向的位移趋势基本一致，在埋距10 m处管线最大竖向位移为6.5 mm。当埋距大于40 m后，基坑开挖对管线影响较小。在埋距为50 m时，最大竖向位移为0.085 mm。

图4 不同埋距下管线竖向位移数值模拟结果

3.2 基坑开挖对不同埋深管线的影响

分别选取埋深为3 m，5 m，7 m，9 m，11 m的5根直径为600 mm的混凝土管线进行分析，其中5根管线埋距均为5 m，其余条件相同。不同埋深下管线水平和竖向位移数值模拟结果分别如图5和图6所示。

由图5可知，管线在水平方向的位移随着管线埋深增加逐渐增大。每根管线的最大水平位移均发生在基坑开挖面中部位置处。管线埋置深度为3 m时，管线最大水平位移为3.205 mm。埋置深度11 m时，管线最大水平位移为4.096 mm。

图5 不同埋深下管线水平位移数值模拟结果

由图6可知，埋深在一定范围内时，管线的竖向位移与管线埋深成正比。超过该范围后，管线的竖向位移会随着埋深的继续加深而逐渐减小。该工况下管线最大竖向位移发生在埋深7 m处。竖向位移波动范围小于水平位移波动范围。

图6 不同埋深下管线竖向位移数值模拟结果

3.3 基坑开挖对不同管材管线的影响

选取4根管材不同，直径均为600 mm，埋距均为5 m，其余条件相同的管线进行分析。4种管材基本物理学参数见表4。不同管材下管线水平和竖向位移数值模拟结果分别如图7和图8所示。

表4 4种管材基本物理学参数

由图7可知，此工况下水平位移最大的为PVC管，最大位移达4.422 mm。钢管的水平位移最小，最大位移为3.904 mm。每根管线在基坑开挖面中心位置处附近，水平位移最大。

图7 不同管材下管线水平位移数值模拟结果

由图8可知，管线最大和最小竖向位移分别出现在PVC管和钢管上，位移量分别为9.237 mm和8.366 mm。各管线水平和竖直2个方向的变化规律基本相同，2个方向位移量均为PVC管>混凝土管>铸铁管>钢管，刚好与4种管材的弹性模量成反比。这表明基坑开挖过程中管线材质的弹性模量越小越容易受到土体变形的影响。

图8 不同管材下管线竖向位移数值模拟结果

与王洪德等[5]的研究结果进行对比发现，在选取的2个工程同样使用内支撑体系时，不同地下管线的变形量存在差异，但是相同工况下管线的整体变形趋势基本一致。而根据许成杰[6]的研究，在采用地连墙+锚杆支护的工程中，管线在不同埋深的工况下，竖向位移随着埋深增加不断减小，变化规律与本文不完全一致。虽然地下管线的变形较为复杂，实际工程中影响因素较多，但是，欧章煜等[7]对基坑开挖过程中土体变形规律的研究发现，主要是维护体系不同使得管线与土体协调变形的规律存在部分差异。