基坑开挖对下方临近大直径管线竖向变形的影响研究

陆龙龙LU Long-long；芦文文LU Wen-wen

（山东公用建设集团有限公司，济宁 272000）

0 引言

随着城市建设的高速发展，为了满足人们的使用需求，地下综合管廊、地下管线的埋设逐渐增加。在基坑开挖的施工过程中，不可避免地会对周围的管线设施造成影响，当管线受到影响产生的变形达到一定程度时，将会影响管线的正常运行，甚至会产生重大事故[1]。

国内外已经有许多学者对基坑开挖引起的临近管线变形进行了研究，Zhang等[2]建立管道和基坑的三维模型，研究了基坑开挖下管道变形的变化规律和管线参数、基坑参数、土体参数和地下连续墙对管线应力、应变和变形的影响。Han等[3]基于有限元原理建立了管道-土体相互作用模型，对基坑开挖对管道的变形进行了分析，研究了平行距离、管道参数和基坑参数对管道变形的影响规律。黄沛等[4]通过现场实测数据，研究了地下连续墙施工和基坑分区开挖对邻近管线的影响。焦宁等[5]通过基坑开挖的现场监测和数值模拟，探究了土岩复合地层中深基坑开挖对邻近管线变形的影响规律。饶文昌[6]通过建立有限元模型，对基坑开挖引起的临近管道变形及受力响应进行了研究。郭延辉等[7]对现有基坑支护设计方案下基坑及其支护结构、管道受力和位移等进行分析，研究了深基坑开挖对临近既有高压天然气管道的影响。黄斌等[8]研究提出并设计了在基坑开挖期间，深基坑内220kV电力管廊原位悬吊保护的安全稳定应对控制措施，从而保证基坑和电力管廊的安全。吴峥等[9]通过建立三维有限元模型，分析了管线周围土体注浆加固的作用，同时研究了改变管线与基坑的夹角引起管线竖向位移的变化规律。徐长节等[10]推导了砂土地层单井降水引起邻近管线变形的解析解，深入分析了管线受力变形的影响参数。徐宏增等[11]研究了由狭长型的市政管廊基坑开挖引起邻近管线沿长度方向的位移变化，探讨了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。郜新军等[12]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，提出了注浆法、微型桩法及二者联合的3种管线加固措施，并对比分析了3种加固措施的加固效果。何小龙等[13]基于Pasternak弹性地基梁理论，引入管-土相互分离计算模型，推导了基坑开挖引起的邻近管线变形计算解析解。

综上所述，现有研究对于基坑施工引起的临近管线变形的研究较为丰富，但针对基坑开挖引起的下方大直径管线变形的研究较少。本文依托济宁经济开发区供热管网工程，对基坑开挖引起的下方临近管线竖向变形影响问题开展研究，通过建立三维有限元模型，分析施工全过程下基坑对下方临近大直径管线竖向变形的影响。

1 工程概况

本文依托济宁经济开发区供热管网工程基坑进行研究。工程南起嘉合路南段，于鸿顺在建工地东侧分流，一条沿嘉合路向北至吉祥路北侧，一条穿鸿顺在建工地和神力锁具有限公司，过嘉诚路后向北至吉祥路北侧。基坑下方有DN2000的污水管道穿过，基坑与管道正交，基坑底部距离管道约1m，污水管道轴线之间距离为4m。基坑深度5m，采用复合土钉墙支护开挖，墙面坡比为1:0.2。土钉采用18mm直径钢筋，长度10m，基坑典型剖面图如图1所示。

图1 基坑典型剖面图

由于基坑位于管线正上方，基坑内土体卸荷容易引起管线上浮。工程设计中考虑对污水管两侧3m、管顶0.5m范围内进行注浆加固土体，加固土体28d无侧限抗压强度大于0.8MPa。基坑所处地层土体以黏土和粉土为主，各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 土层的物理力学参数

2 数值模型分析

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX软件建立基坑三维模型，模型尺寸为40m×40m×25m，基坑的数值模型如图2所示。模型边界条件为四周限制水平位移，底部设置固定约束。土体采用摩尔库伦模型，土钉墙的锚杆和支护结构分别采用桁架单元和板单元模拟，使用弹性模型，各结构单元的力学参数如表2所示。

图2 数值模型图

表2 结构单元物理力学参数

2.2 管线位移

设基坑开挖部分与管线中线的距离为L，图2为基坑下方管线的竖向变形图，可以发现随着基坑开挖部分与下方管线距离的减小，管线上方的土体荷载逐渐减小，管线的竖向变形逐渐增加，最终管线的竖向变形表现为中间大、两侧小的近似正态分布曲线，峰值出现在基坑的中心下方。在基坑开挖过程中，在距离管道较远时，管道变形极小，随着开挖距离的增加，开挖部分距离管道的距离越近，管道变形的增长速率越快。

图3 基坑下方管线的竖向变形图

2.3 管线竖向变形影响因素

基坑开挖深度对管线竖向变形的影响如图4所示，可以发现，当管线埋深不变时，基坑不同开挖深度引起的管线竖向变形规律一致，随着基坑开挖深度的增加，管线的竖向变形量随之增加，且在基坑开挖深度增加的初始阶段，管线变形量增加较大。

图4 基坑开挖深度对管线竖向变形的影响

基坑开挖时管线埋深对管线竖向变形的影响如图5所示，可以发现，当基坑开挖深度不变时，管线不同埋深对管线竖向变形规律无影响，随着管线埋深的增加，管线的竖向变形量逐渐减小，变化幅度较为均匀。

图5 管线埋深对管线竖向变形的影响

为了确定管线与基坑夹角对管线竖向变形的影响，本文分别对管线轴线与基坑中线之间不同夹角角度条件下管线的竖向变形进行了计算，管线轴线与基坑中线夹角角度对管线竖向变形的影响如图6所示。当夹角为0°时，管线的竖向变形最大，然后随着夹角角度的增大，管线竖向变形量逐渐减小，当夹角为90°时，管线的竖向变形最小。且在0°～30°时管线竖向变形值减小速度较慢，30°～90°时管线竖向变形值减小速度变大。在选定实际工程方案时，应尽量使用管线轴线与基坑中线之间夹角角度较大的方案，这样可以有效减小管线的竖向变形。

图6 管线与基坑夹角对管线最大竖向变形的影响

3 结论

本文依托济宁经济开发区供热管网工程，对基坑开挖引起的下方临近管线竖向变形影响问题开展研究。采用Midas GTS有限元分析软件对基坑施工过程进行动态模拟，分析施工全过程下基坑对下方临近管线竖向变形的影响。

①随着基坑开挖部分与下方管线距离的减小，管线上方的土体荷载逐渐减小，管线的竖向变形逐渐增加，最终管线的竖向变形表现为中间大、两侧小的近似正态分布曲线，峰值出现在基坑的中心下方。

②在基坑开挖过程中，在距离管道较远时，管道变形极小，随着开挖距离的增加，开挖部分距离管道的距离越近，管道变形的增长速率越快。随着基坑开挖深度的增加，管线的竖向变形量随之增加。随着管线埋深的增加，管线的竖向变形量逐渐减小。

③当管线轴线与基坑中线之间夹角为0°时，管线的竖向变形最大，然后随着夹角角度的增大，管线竖向变形量逐渐减小，当夹角为90°时，管线的竖向变形最小。且在0°～30°时管线竖向变形值减小速度较慢，30°～90°时管线竖向变形值减小速度变大。在选定实际工程方案时，应尽量使用管线轴线与基坑中线之间夹角角度较大的方案，这样可以有效减小管线的竖向变形。