基坑开挖对邻近管道影响数值分析

2022-07-06彭伟

地质灾害与环境保护 2022年2期

彭伟

昆明轨道交通集团有限公司，昆明 650011)

1 前言

随着城市的发展，城镇人口的急剧膨胀，人口增长率远高于用地增长率，如今城镇的地上空间越来越匮乏，随处可见的拥挤。所以地下空间的开发与地下设施的建设刻不容缓。当前，城镇的建设发展与地下空间的开发是紧密联系的，城镇地下空间的开发不可避免要涉及到基坑开挖，故此，基坑工程逐步往“近、深、大、紧”的特点发展，其规模与难度一直在不断增大。城镇的基坑在施工开挖不可避免的控制因素便为邻近管道，在确保基坑施工的安全性与经济性的同时，也要保证附近密集的管道的安全，管道的破裂将影响居民生活与工作，给社会造成不良影响和巨大经济损失。因此需控制基坑开挖过程中对管道造成的不良影响。O’Rourke[1]根据土体开挖引起的地层位移分布情况，提出了管-土相互作用模型。后又采用三维有限元模拟了浅沟槽开挖对邻近的铸铁管线的影响，当管线与周围土体之间不产生相对位移时，可以不考虑施工对管线的影响[2]。李大勇等人[3]利用Winkler弹性地基梁理论，建立受基坑开挖影响的地下管线竖向位移与水平位移方程。2003年，李大勇等人[4]采用三维有限元法，顺利求解出受基坑开挖导致的地下管线位移与内力。王磊等人[5]采用有限元建立相邻基坑开挖对地下管线影响模型，也得到较好的分析结果。刘金龙[6]等采用FLAC3D分析基坑开挖对邻近不同管径管线的影响，为工程做出指导。赵文等[7]结合实际项目，对工程中地下管线变形和受力状态进行了实测研究，并结合管道材料试验结果认为该工程的施工不会对地下管线造成安全影响。张培森[8]采用数值分析方法针对在地铁较远距离处的深基坑开挖对地铁变形的影响进行分析。杨庆光等[9]采用FLAC3D建立三维数值模型，考虑不同的夹角和开挖深度，对管线稳定性具有重要影响的管线竖向位移、竖向应力、轴力问题展开研究。徐宏增等[10]运用有限元软件PLAXIS建立三维数值模型，探讨不同围护结构形式下的基坑开挖对邻近大直径污水管线的影响规律。上述研究对基坑开挖与管道的影响具有一定的参考意义，但是基坑具有地域性，针对复杂的基坑项目，需要针对性的研究分析。

本文利用MIDAS GTS NX建立完整的深基坑三维数值模型，模拟基坑开挖过程中支护结构、土体与管道的相互变形作用。

2 工程概况

某基坑项目位于昆明市主市区，项目周边布设有地下管道与多栋居民楼，并邻近交通主干道，周边地质环境复杂，需要严格控制基坑工程开挖引发的周边建筑物沉降与变形，整个基坑工程安全等级为一级，环境保护要求高。基坑长42 m、宽27 m，深度为10 m，支护结构采用φ600 mm的钻孔灌注桩，长度为18 m，桩间距为800 mm，布设有两道混凝土内支撑，冠梁截面为1 200 mm×1 000 mm，支撑梁截面为1 000 mm×800 mm。并且地下水位长期在地下1.2～1.6 m深度，为避免降水排水导致的对周边建筑物的沉降影响，本项目设计有φ500 mm@250的三轴止水帷幕，确保了对地下水的有效控制。

本次研究选取离基坑项目最近的两根管道，分别为距离坑边距为6 m的φ1 200 mm的通信电缆与坑边距为9 mφ1 200 mm给水排水一体管道。考虑管道的重要性，需要对管道进行监测与分析。本文采用E=3×ES[11]进行土体模拟分析，项目土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

3 建立数值模型

研究基坑开挖对邻近管道的影响，需建立数值模型体系包括基坑支护结构、基坑周边土体及邻近管道，并且需采用适宜的岩土本构模型对基坑项目进行精确模拟计算。

采用MIDAS GTS NX软件模拟，计算基本假定为：

(1) 计算域内土体为各向同性的均质土体，土体采用修正摩尔库伦本构。

(2) 设立有止水帷幕与其他降排水措施，故模型不考虑地下水作用。

(3) 围护结构采用线弹性模型，对撑、立柱采用1D单元，管道采用3D单元，管道参数见表2。

表2 地下管线参数表

建立计算模型，基坑开挖影响范围为开挖深度的2～4倍，因此设置模型长度120 m、宽度77 m、深度36 m，符合模型影响范围。模型四周边界设置位移约束，底部设置固定约束，并施加自重，还原实际情况。有限元模型如图1、图2所示。

图1 计算模型示意图

图2 模型剖面示意图

4 数值模拟分析

基坑开挖对邻近管线的影响一直是一项困扰设计人员的难题，其影响的因素不仅仅是基坑开挖的方式和基坑大小，还包括管道的直径类型、管道直径与管道距离基坑距离。若想用传统理论分析计算计算量巨大，并且因为土体的特殊性，其应力-应变关系难以把控，因为采用有限元手段，通过软件模拟，能有效分析基坑开挖对邻近管线的受力与变形，故此采用MIDAS GTS NX软件模拟基坑情况，并进行数值计算。

4.1 基坑开挖分析

模型参数采用表1与表2数据，基坑开挖严格按照开挖深度逐层开挖：第一层按照45度角放坡，深度1.0 m，施加混凝土护坡施工；第二层开挖深度0.5 m，施加第一道内撑；第三层开挖2.5 m；第四层开挖0.5 m，施加第二道内撑；第五层开挖2.5 m；第六层开挖2.5 m至开挖坑底。模拟方案参照实际施工，模型施工步骤共有7步，第一步为初始地应力平衡，控制模型初始位移[13]。模拟施工步骤都有相应的构件激活与边界条件，在此便不一一赘述。计算云图如图3所示。

图3 基坑开挖模型云图

通过数值模拟分析(图4、图5)，随着基坑开挖深度的增加，管道水平位移逐渐增大，并且管道在越靠近基坑的部位位移越大，说明基坑开挖造成管道位移影响较大。距离基坑6 m处的电缆管道与距坑边9 m的给水排水管道位移不同，电缆管道最大位移18.60 mm，给水排水管道最大位移18.87 mm，由数据表明距离坑边距越远的管道位移越大。但不可忽视的一点，电缆管道其材质不同于给水排水管道，是否材质的因素造成位移的差异，需进一步详细分析。

图4 管线位移与实测对比图

图5 管线管身距基坑中部位移图

4.2 管道变形因素分析

影响地下管线变形因素很多，例如：基坑开挖方案、管道自身材质、基坑大小、管道埋深、管道直径、管道距离基坑距离等等，本次研究基于实际基坑项目，因此基坑开挖方案与基坑大小等，基坑因素不再考虑。故在不变的基坑方案下，详细分析管道材质、管道直径与管道距离坑边距3个因素。

4.2.1 管道材质

根据上文显示，电缆管道位移小于给水排水管道，但是两个管道材质不同，不便于分析。因此本次选取两根管道选取相同材质分析，管道材质如表3。管道直径与坑边距按照上文情况不变。

表3 管道材料参数

通过图6分析可以发现，无论是何种材料的情况下，电缆管道的位移都大于给水排水的管道位移。以电缆管道为例分析，钢制位移最大5.23 mm，混凝土制19.63 mm，钢制位移明显小于混凝土制。其主要原因为钢管的弹性模量大，抵抗变形能力强，其受基坑开挖影响最小，混凝土制管道位移也相对较小，并且在两种材料情况下，水平位移随着基坑开挖影响变化不大。位移最大的为PVC管，其弹性模量最小，并且随着基坑开挖，其位移变化值较大，说明PVC与土体的变形协调能力强。故此可说明，管道材质越好，弹性强度越大，越不容易变形，与土体的协调能力越差。

图6 管道材料对管道水平位移影响

4.2.2 管道直径

根据上文显示，材料刚度越大，管道越不容易变形。管道直径也是影响管线位移的重要因素，因此采用不同直径的管道，研究不同直径情况下，基坑开挖对邻近管道的影响。仅选取电缆管道，其材质选用混凝土，管道位置与实际情况相同，其余不变。

通过图7分析可以发现，采用混凝土材料，由于材料刚度大，水平位移随着基坑开挖影响变化不大。但是在直径由0.5 m逐步增大至3 m时，其位移是逐渐减小，特别在直径1.5 m变为2 m后，位移控制最好。故此可说明，管道采用混凝土材质时，直径为2 m时，管道位移变形最小。

图7 管道直径对管道水平位移影响

4.2.3 管道坑边距

由4.2.1可知，在相同材质与直径的情况下，距离坑边距为6 m的电缆管道位移大于坑边距为9 m的给水排水管道，因此在此基础上详细研究管线距离基坑的距离影响，分别选取电缆管道距坑边距d为5 m、10 m、15 m、20 m、25 m与30 m的情况分析，材质选取混凝土材质，其余不变。

由图8表明，当坑边距为5 m时，管道最大位移为22.15 mm，最小位移为18.59 mm。当坑边距增大时，如坑边距为30 m时，管道最大位移为6.68 mm，最小位移为5.16 mm。由数据表明，管道距离基坑距离不同，基坑开挖对其影响也不同，管线距离基坑距离越远，其影响程度越低。同时由数据表明，当距离大于25 m，即2.5H(H为基坑开挖深度)时，基坑开挖对管线影响不明显，因此在条件允许的情况下，尽量使得管道在离基坑大于2.5H处，这种情况下，基坑开挖对管道影响较小。