深基坑開挖引起鄰近管線位移影響的數值分析

程 濤， 許萬輝， 胡仁杰， 余宗源

(1.三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002； 2.湖北理工學院 土木建筑工程學院， 湖北 黃石 435003；3.咸寧高新投資集團有限公司， 湖北 咸寧 437099)

深基坑開挖引起鄰近管線位移影響的數值分析

程 濤1,2， 許萬輝1,2， 胡仁杰1,2， 余宗源3

(1.三峽大學 土木與建筑學院， 湖北 宜昌 443002； 2.湖北理工學院 土木建筑工程學院， 湖北 黃石 435003；
3.咸寧高新投資集團有限公司， 湖北 咸寧 437099)

基于彈塑性平面應變有限元方法，分析了某大型深基坑開挖過程中臨近管線的位移變化規律。基于Abaqus軟件，引入莫爾-庫倫為屈服準則的本構模型，采用平面應變四節點單元形式，利用單元生死功能模擬基坑開挖全過程，以計算基坑開挖過程中周邊煤氣管、配水管位移變動情況，并和實時監測數據進行對比，得出計算值與監測值的規律一致，驗證了計算方法的合理性。在此基礎上，分別分析了內支撐、樁體剛度以及表面堆載對管線位移的影響規律。研究結果表明：內支撐對控制基坑周邊管線位移起著極其關鍵的作用；隨著樁體剛度的增大，管線沉降會逐漸減小；表面堆載的增大，則會導致管線位移的增大，但是后兩個因素的影響相對不顯著。

深基坑； 彈塑性； 平面應變； 管線位移； 內支撐； 樁體剛度； 表面堆載

深基坑工程起源由來已久，直至20世紀90年代以后在鐵道工程和建筑工程中才得以盛行[1]。在深基坑工程發展過程中，眾多學者對它進行過多方面的研究[2～5]。近年來，隨著計算機技術迅猛發展，數值分析已成為工程領域中必不可少的手段，而它在基坑工程中的應用[6～8]也隨即興起。作為城市的生命線工程——管線工程，基坑開挖引起的安全隱患不容忽視，為了準確分析基坑周邊管線位移，并對其實施必要安全管控，經過數值仿真計算掌握管線位移變化規律顯得尤為重要。Crofts等[9]提出了一種針對由基坑開挖引起的鄰近地下管線水平位移估算方法；蔡建鵬等[10]通過統計預測曲線,提出了基坑開挖對地下管線影響的DCFEM分析法；張海林等[11]采用Ansys軟件建立了三維有限元模型,研究了深基坑開挖對周邊地下管線的影響；李佳川等[12]采用空間8節點非協調等參單元來研宄開挖的空間效應,研究了管線的沉降分布規律,探討了地下基坑開挖與縱向地下管線保護。

本文針對上海某深基坑工程實例，運用Abaqus有限元大型通用軟件，簡化基坑計算模型，利用軟件中的單元生死功能，模擬基坑開挖全過程，以計算開挖過程中周邊煤氣管、配水管的位移變化情況，并和實時監測數據進行了對比。在此基礎上，分別分析內支撐，樁體剛度以及面荷載對管線位移的影響規律，為基坑安全有序施工提供有效的技術支持。

1 工程概況

1.1 場地概況

工程位于上海市嘉定區，北臨曹安公路，西近A20公路，場地地理位置示意圖如圖1所示。場地地貌屬于上海地區四大地貌單元中的濱海平原類型，地形較平坦。擬建場地地基土均屬第四紀松散沉積物，勘察90.0 m深度范圍內揭露的地基土，按其結構特征、時代成因和物理力學性質可劃分為7層及所屬亞層。場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型，其水位動態變化主要受控于大氣降水和鄰近地表水體，地下水位埋深一般為 0.3～1.5 m，年平均水位為 0.5～0.7 m，低水位為1.5 m。

圖1 基坑場地平面概況

1.2 基坑概況

本基坑工程開挖深度為15.20 m(主樓為15.9 m)，開挖面積為37130 m2，整體基坑近似呈“手槍型”，形狀不規則，基坑場地平面概況如圖1所示。場地東北側鄰近某國際商城，東南側鄰近某購物中心，南側鄰近某河流，河寬15～16 m，西側為空地，場地北側臨近某公路，該公路下分布8條管線，分別為1條煤氣管線、6條信息管線、1條配水管線。根據基坑周邊環境，基坑安全性評估中需要重點考慮保護對象為基坑周邊管線。本次計算選擇基坑周邊管線位移為分析對象，其中，以基坑北側煤氣管及配水管為例。管線規格及與基坑相對位置如表1所示。基坑維護結構組成成份包括：鉆孔灌注樁、止水帷幕、鋼筋混凝土支撐和立柱等，其中基坑開挖主撐尺寸分別為1200 mm×800 mm、1400 mm×800 mm、1300 mm×800 mm，鉆孔灌注樁及支撐的混凝土設計強度等級均為C30，立柱距離北側基坑邊緣大約30 m。

表1 管線規格及與基坑相對位置

2 數值模擬

2.1 模型的簡化

為分析基坑開挖對北側公路下煤氣管及配水管位移的影響規律，綜合考慮分析問題的合理性、計算速度和模型規模，此計算采取二維有限元平面應變模型進行分析。其中，模型尺寸取150 m×57 m的長方體，基坑開挖寬度為立柱到基坑邊緣30 m范圍，基坑開挖深度為15.2 m，鉆孔灌注樁長度為35.2 m，基坑設計水位按地面下0.5 m考慮。由于施工外加荷載原因，考慮基坑周邊20 kPa的面荷載。基坑開挖剖面示意圖如2所示。

圖2 基坑剖面示意/m

基坑開挖分四道開挖，三道支撐，具體實施步驟如下：

(1)基坑開挖至地面下1.9 m；

(2)施工第一道鋼砼支撐體系，軸線埋深為1.5 m；

(3)基坑開挖至地面下7.9 m；

(4)施工第二道鋼砼支撐體系，軸線埋深7.5 m；

(5)基坑開挖至地面下12.6 m；

(6)施工第三道鋼砼支撐體系，軸線埋深為12.2 m；

(7)基坑開挖至坑底(地面下15.2 m)。

2.2 模型參數

模型計算中，模型計算的邊界約束條件假設為左右兩側邊界不發生水平位移，下部邊界不發生水平和垂直位移，上部邊界為自由邊界。土體采用Mohr-Coulomb為屈服準則的理想彈塑性本構模型，由于基坑開挖過程中土體是屬于卸荷的過程，實際基坑開挖的彈性模量比壓縮模量要大[13]，此處取1.5倍壓縮模量作為計算土體的彈性模量。土的側壓力系數k和泊松比μ分別可以根據公式k=1-sinφ(φ有效內摩擦角)和μ=k/(1+k)計算得出[14]，具體土層劃分及其相關物理參數如表2所示。鉆孔灌注樁和內支撐假定為均勻彈性體，考慮灌注樁的間距折減，取其彈性模量為20 GPa。樁和土之間接觸形式為考慮摩擦系數為0.8的硬接觸，支撐和樁之間采用綁定約束。考慮到本文中基坑的側邊長都很長(相對于斷面而言)，只在計算斷面內有應變，與該面垂直方向的應變可忽略。因此本文建模選用平面應變分析方法來簡化計算，將模型劃分為36312個單元，模型統一采用平面應變四節點實體單元(簡稱CPE4單元)形式。利用Abaqus單元生死功能模擬基坑開挖過程中，考慮水對初始應力的影響，最終將模擬過程分為七個荷載步：(1)初始應力平衡；(2)面荷載的施加；(3)樁體的激活；(4)開挖第一層土體并施加第一道支撐；(5)開挖第二層土體并施加第二道支撐；(6)開挖第三層土體并施加第三道支撐；(7)開挖第四層土體，計算完畢。

表2 土層劃分及其物理參數

2.3 結果分析

2.3.1 計算結果與監測結果對比分析

整理公路北側煤氣管與配水管的監測結果，分別對比煤氣管和配水管在七個荷載步下垂直位移實測值和計算值的變化規律，如圖3、4所示。

從圖3中可以清晰的看出，煤氣管垂直位移的計算值與實際監測值位移變化趨勢是一致的，且它們最終沉降值較接近，其中實測值為87 mm，而計算值為86 mm。圖4顯示，配水管垂直位移計算值與實際監測值的位移變化趨勢也大致相同，只是配水管垂直位移最終計算值比監測值稍大，絕對誤差約6 mm，根據GB 50497-2009《建筑基坑工程監測技術規范》[15]，此值在工程安全誤差控制范圍之內。圖3、4都體現了管線的豎向位移主要是由基坑開挖卸載過程引起的，這遵循了卸荷引起變形的規律，較易理解。從圖中還可以看出，在三段開挖和支撐的分步過程中，下降速率的實測值變化平緩而計算值更均勻、連續，這是由于實際工程中三段開挖和支撐工序是連續完成的，時間間隔較短，每一道工序下的變形還沒完全穩定即進入到下一道工序，而計算分析是按照每一荷載步穩定之后才進入下一荷載步計算，變形釋放更完全，因此，造成了圖中在4～6荷載步中計算值和實測值的偏離，但是隨著所有荷載步完成，所有工程變形完全釋放，兩者的結果十分接近，這也充分證明了計算的有效性和穩定性，可以較真實地模擬實際工況，達到較好的分析效果，以供對比參考。圖3、4對比可知，配水管的最終豎向位移比煤氣管小，這是由于配水管線離基坑邊緣距離相對較大所導致的，這一規律也與實際情況相符。

圖3 煤氣管垂直位移實測值與計算值變化曲線

圖4 配水管垂直位移實測值與計算值變化曲線

2.3.2 計算結果延展

以上監測結果與計算結果的對比分析，很好的體現了數值計算的有效性，為了更詳細說明基坑開挖對管線位移變化的影響，此處對計算結果進行相關延展和說明。對于埋深較淺地下管線，地表豎向位移的變化情況可以從側面反映其位移變化規律，第四開挖步中基坑周邊地表垂直位移變化曲線如圖5所示。圖5中R1表示開挖第一層土體并施加第一道支撐；R2表示開挖第二層土體并施加第二道支撐；R3表示開挖第三層土體并施加第三道支撐；R4表示開挖第四層土體。從圖5可以看出:距離基坑邊緣4 m范圍內的土體有小幅度隆起現象，這是由于基坑開挖導致土體自重應力的釋放從而引起土體向上回彈；距離基坑邊緣10～70 m范圍內地表沉降明顯，其中在大約30 m的地方地表沉降達到最大值；而距離基坑100 m以外，地表位移變化幾乎為零。從表1可知，煤氣管距離基坑邊緣25.2 m，配水管距離基坑邊緣58 m，由地表沉降規律再次體現了配水管最終的垂直位移小于煤氣管。從圖中還可以看出，隨著基坑開挖的推進，地表沉降逐步變大，其中，第二步開挖(即第五荷載步)的整個過程中地表沉降最大，這與第二步開挖深度為第四開挖步中最大是相符的。

圖5 第四開挖步中基坑周邊地表垂直位移變化曲線

圖6為煤氣管與配水管水平位移計算值的變化趨勢圖，圖中顯示，煤氣管和配水管的水平位移隨著荷載步的進行呈逐漸增大趨勢，符合位移變化規律。此外，基坑開挖的前四個荷載步中，煤氣管的水平位移大于配水管的水平位移，而在基坑開挖第二步過程中，配水管的水平位移逐漸超過煤氣管的水平位移。經過分析可知，在基坑開挖前期階段，基坑周邊環境受到的干擾還相對較小，由于煤氣管離基坑邊緣較近，因此它的水平位移大于配水管水平位移是比較合理的；在基坑開挖后期階段，隨著開挖繼續，基坑釋放的應力逐漸變大，加上內支撐的作用，致使維護樁體的大變形區域向它下半段轉移，而這也影響了基坑周邊土體的整體位移分布情況，最終導致了距離基坑邊緣較遠的配水管水平位移大于距離基坑邊緣較近的煤氣管水平位移。

圖6 管線水平位移計算值變化曲線

3 管線位移變化規律

為進一步體現基坑開挖對鄰近管線位移的影響規律，以上述基坑開挖模型為基礎，定量研究了基坑開挖引起的周邊管線位移變化與其內支撐、維護樁體剛度以及地表荷載之間的關系。

3.1 內支撐對管線位移變化影響

眾所周知，內支撐作為基坑開挖維護結構之一所起的作用極其關鍵。在保持模型其他參數不變的情況下，分別通過對有內支撐和無內支撐情況下的基坑開挖過程進行數值計算，得出有、無內支撐情況下煤氣管與配水管垂直位移的變化規律曲線圖，如圖7、8所示。從圖中可以看出，在基坑開挖步還沒開始之前，有內撐與無內撐情況下煤氣管和配水管的垂直位移是完全相同的，但是，從荷載步第四步即基坑的第一開挖步開始，管線垂直位移在無內支撐情況下要大于有內支撐情況，并且隨著基坑開挖步的繼續進行，它們位移的偏差也逐漸擴大，該現象有力地凸顯了內支撐對于基坑開挖變形的控制作用。按照實際施工工序情況，由于內支撐在基坑開挖之后才開始施工，所以它對之前的工序并不產生任何作用，因此，出現了在荷載步第四步開始之前，有、無內支撐對管線垂直位移并未產生影響的現象也就不足為奇了。細細觀察圖7、8，還可看出，在有內支撐情況下，隨著開挖步的進行管線位移下降速率逐漸變小，而在無內支撐的情況下管線位移下降速率則逐漸變大，這不僅體現了內支撐對基坑周邊管線位移控制的重要性，而且還說明了隨著基坑開挖深度加大，對基坑周邊管線位移的影響也將會增大。

圖7 有無內撐情況下煤氣管線垂直位移變化曲線

圖8 有無內撐情況下配水管線垂直位移變化曲線

3.2 樁體剛度對管線位移變化影響

為了了解管線位移與維護樁體剛度之間的關系，同理，保持模型其他參數不變，分別取樁體的彈性模量為10、20、30、40 GPa，對基坑開挖過程進行模擬計算。得出不同樁體剛度下煤氣管，配水管垂直位移變化曲線如圖9、10所示。

圖9 不同樁體剛度下煤氣管線垂直位移變化曲線

圖10 不同樁體剛度下配水管線垂直位移變化曲線

圖9、10均顯示，在前三個荷載分析步中，樁體剛度變化對管線位移的變化影響不大，它對管線位移的影響主要是在基坑開挖過程的后四步有較明顯區別，這表明基坑還沒開挖前，管線沉降是不受樁體剛度影響的，這與真實情況相符。從上圖還可以看出，隨著后四步荷載步的推進，累計沉降偏差在逐漸變大，這說明在基坑每一個開挖步過程中，管線垂直位移都隨樁體剛度的減小而有所增大，由于增大值的累計，才出現如圖中累計沉降差異逐漸擴大的現象，它從側面體現了樁體剛度對控制位移變化的重要作用，因此，為了合理經濟的設計施工，必須選擇合適的樁體剛度。

3.3 地面荷載對管線位移變化影響

地面荷載作為基坑開挖工程中不可忽略的影響因素，它的改變對管線位移影響規律也必定受到關注。基于以上模型參數，分別變化面荷載為10、15、20、25 kPa，模擬基坑開挖過程，得出不同面荷載下煤氣管和配水管垂直位移變化曲線如圖11、12所示。

圖11 不同面荷載下煤氣管線垂直位移變化曲線

圖12 不同面荷載下配水管線垂直位移變化曲線

從圖中看出，隨著地面荷載增大，除初始地應力平衡荷載步到施加地面荷載步之間，管線位移有明顯的變化，在其他荷載步中管線位移基本處于平行狀態，即荷載對基坑開挖的影響在施加面荷載的那一步已經得到了充分體現，而對后續荷載步所引起管線位移的變化不大。事實上，這是由于地面荷載從施工開始就貫穿工程整個過程，它對基坑開挖的每一步都造成了影響。因此，對于深基坑工程來講，面荷載大小的確定，也極其關鍵和重要。

4 結 論

(1)運用平面應變彈塑性有限元簡化計算基坑開挖引起管線變形問題，通過與實測對比，有較好的分析效果，計算值與實際監測值比較接近，其中，煤氣管和配水管的位移計算值和實際監測值都隨著開挖步的推進而逐漸變大，而它們的水平位移在基坑的第二步開挖過程中有個交替變化的過程。

(2)鄰近基坑邊緣4 m范圍內土體有一定的隆起現象，在距離基坑4～100 m范圍內地表有沉降，其中10～70 m范圍內地表沉降相對明顯，距離基坑100 m以外，地面位移變化幾乎為零。

(3)在基坑開挖過程中，內支撐對維護基坑穩定起著極其關鍵的作用；隨著樁體剛度增大，管線的沉降會逐漸減小；面荷載增大，則會導致管線位移的增大。但是，后兩者都沒有內支撐的影響顯著。因此，在基坑維護設計時，要綜合考慮內支撐，樁體剛度以及面荷載對周邊管線的影響，以使深基坑工程更經濟、高效運行。

[1] 韓秋石, 黃 濤. 國內深基坑支護技術發展綜述[J]. 華東公路, 2014, (1): 89-92.

[2] 徐楊青, 王永寧, 程杰林. 模擬深基坑開挖和支護全過程的有限元數值分析[J]. 巖土力學, 2002, (s1): 157-160.

[3] 鄭 剛, 顏志雄, 雷華陽, 等. 基坑開挖對臨近樁基影響的實測及有限元數值模擬分析[J]. 巖土工程學報, 2007, (5): 638-643.

[4] Tian Linya, Hua Xisheng. Settlement prediction for buildings surrounding foundation pits based on a stationary auto-regression model[J]. Journal of China University of Mining and Technology, 2007, 17(1): 78-81.

[5] Luo Zujiang, Zhang Yingying, Wu Yongxia. Finite element numerical simularion of three-dimensional seepage control for deep foundation pit dewatering[J]. Journal of Hydrodynamic, 2008, 20(5): 596-602.

[6] 駱輝軍. 某基坑工程分步開挖豎向位移數值模擬分析[J].公路與汽運, 2014, (3): 119-122.

[7] 劉玉恒, 黃 峰. 基坑開挖對鄰近鐵道影響的數值模擬分析[J]. 施工技術, 2014, (1): 83-86.

[8] Yu Xiaolin, Jia Buyu. Analysis of excavating foundation pit to nearby bridge[J]. Procedia Earth and Planetary Science, 2012, 5: 102-106.

[9] Crofts J E, Menzies B K, Tarzi A I. Lateral displacement of shallow buried pipelines due to adjacent deep trench excavations[J]. Geotechnique, 1977, 27(2): 161-179.

[10]蔡建鵬, 黃茂松, 錢建固, 等. 基坑開挖對鄰近地下管線影響分析的DCFEM法[J]. 地下空間與工程學報, 2010, 6(1): 120-124.

[11]張海林, 邱衛民, 肖顯強. 深基坑開挖對鄰近地下管線影響的數值分析[J]. 安徽建筑, 2010, 17(4): 75-76.

[12]李佳川, 夏明耀. 地下連續墻深基坑開挖與縱向地下管線保護[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 1995, 23(5): 499-504.

[13]賈 堤, 石 峰, 鄭 剛, 等. 深基坑工程數值模擬土體彈性模量取值的探討[J]. 巖土工程學報, 2008, (s1): 155-158.

[14]王立忠, 李玲玲. 結構性軟土非線彈性模型中泊松比的取值[J]. 水利學報, 2006, (2): 150-159.

[15]GB 50497-2009, 建筑基坑工程監測技術規范[S].

Numerical Analysis for the Displacements of the Adjacent Pipeline Caused by a Deep Foundation Pit Excavation

CHENGTao1,2,XUWan-hui1,2,HURen-jie1,2,YUZong-yuan3

(1.College of Civil Engineering and Arcitectiure, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.School of Civil Engineering and Arcitectiure， Hubei Polytechnic University， Huangshi 435003， China；3.Xianning High-tech Investment Group Co Ltd， Xianning 437099， China)

Base on the elasto-plastic plane strain finite element method, displacements laws of the adjacent pipeline caused by a deep foundation pit excavation are analyzed. The Abaqus software is adopted, Mohr-Coulomb constitutive model and CPE4 element type are introduced. The function of model changing and removing is applied to simulate the displacements laws of gas pipeline and water distribution pipeline during the whole excavation process. Then the computation results are compared with the real-time monitoring data. The results show that the calculated values are close to the monitoring values. Furthermore, the influence rules of the support styles, pile stiffness, surface load for displacements of the pipelines are analyzed respectively. It is shown that the support plays a critical role in the displacement of foundation pit surrounding pipeline. The settlements of pipeline will gradually decrease with the increasing stiffness of pile, while increase with the increasing surface load. But the last two factors are not as remarkable as the first factor.

deep excavation; elasto-plastic; plane strain; pipeline displacements; support; pile stiffness; surface load

2016-01-24

2016-04-07

程 濤(1975-)，男，湖北鄂州人，教授，博士，研究方向為巖土本構關系、巖土流固耦合仿真分析以及工礦廢棄物資源化(Email：chthust@163.com)

湖北省自然科學基金(2012FKC14201)；湖北省教育廳自然科學基金重點項目(D20134401)；湖北理工學院優秀中青年創新團隊計劃項目(Y0008)

TU441+.6

A

2095-0985(2016)06-0016-06