深基坑開挖對鄰近地下管線影響的安全評價

王有林，許曉霞，陳 楠

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.國家能源水電工程技術研發中心高邊坡與地質災害研究治理分中心，西安 710065)

深基坑開挖對鄰近地下管線影響的安全評價

王有林1,2，許曉霞1，陳 楠1

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065;2.國家能源水電工程技術研發中心高邊坡與地質災害研究治理分中心，西安 710065)

基坑開挖改變了原有土體的應力平衡，使得相鄰支護結構和土體側移，必然導致地下管線向基坑內方向發生變形。文章基于某深基坑工程，采用數值模擬研究了基坑開挖、加載支護過程中邊坡的應力、應變以及對黑河管線的影響程度等，通過對深基坑水平位移值、黑河管道總變形控制值的論證，提出了其相應的安全預警值，為基坑安全應急預案的制定提供了依據。關鍵詞：深基坑；地下管道；數值分析；控制標準；安全評價

0 前 言

隨著中國城市化進程的不斷加快和建筑用地日趨減少，各種市政及軌道交通項目陸續開工建設，同時高層住宅、大型商業化設施也不斷增多，從而使得工程建設中深基坑工程越來越多。基坑開挖不可避免地會造成周圍地層擾動，對周邊建筑、地鐵隧道、大型地下管線等產生附加應力和變形，從而造成一定程度的損傷或破壞性影響。作為城市生命線工程的地下線纜、排水管網等管道工程，因其隱蔽性導致破壞不易發覺[1]，一旦產生破壞不僅會引起重大的經濟損失，更將造成嚴重的社會及政治影響，且其損失是不可挽回的。

基坑開挖對周邊環境影響預測與控制技術研究是一項非常重要的課題[2]，已引起廣大科研、設計及施工人員的重視。現有研究分為2類：一類是采用有限元數值計算方法進行整體建模，模擬基坑開挖過程對鄰近管道的影響[3-7]；另一類是位移控制分析方法[8]，不關注基坑開挖施工過程，將基坑開挖引起的土體位移作為控制條件，分析管道的受力和變形。

本文以西安某深基坑工程為依托，采用數值模擬手段，分析基坑開挖過程及開挖完成后對鄰近管道的影響，在此基礎上提出管道位移和強度的控制標準，從而為施工提供依據。

1 工程概況

1.1 基坑總體布置

某項目基坑形狀為三角形，自北向南逐漸變小，基坑南北方向長約250 m，北側寬約150 m，南側寬約22 m。基坑東側為G地塊，與H基坑相距約50 m。基坑開挖深度為18.2～28.1 m，采用排樁+預應力錨索支護方案。基坑東側為黑河輸水隧洞(以下簡稱“黑河管線”)，管線與基坑東側邊線平行，管線中心距基坑東側壁水平距離為21 m，埋深為現地面下21～22 m(見圖1)。

圖1 基坑與黑河管線的位置關系圖 單位：mm

黑河管線為素混凝土結構，管道外截面呈馬蹄形，開挖毛斷面約3.3 m×3.3 m，襯砌厚度300～350 mm。管線分倉、分段澆筑施工，每段長度20 m，接茬處埋設止水膠條。目前基坑支護設計方案已進入黑河引水管渠的控制區域，需進行基坑開挖、支護及使用過程中對引水管線影響的安全評價。

1.2 基本工程地質條件

2 三維計算模型的建立

2.1 模型尺寸

基于有限元的基本理論，利用MIDAS/GTS建立三維模型，分析基坑開挖對鄰近黑河管線的影響。為便于分析作以下假定：① 地下管線為等直徑、等壁厚且不考慮接頭影響，材料本構關系按線彈性考慮；② 土體假定為連續介質線彈性體；③ 假定管線與周圍土體始終緊密接觸，即變形過程中管線與土體沒有相對滑動或發生脫離。

為了消除邊界條件的影響，考慮到基坑東側50 m以外的G地塊基坑已經開挖的現狀，三維模型計算邊界取為410 m×150 m×50 m。按實際施工順序進行數值模擬，分析基坑開挖對黑河管道整體變形造成的影響。在實際模擬中，基坑開挖的實際結構尺寸、施工工法、黑河管道的埋深、襯砌厚度等均按實際情況考慮；土層視為理想彈塑性體，強度準則采用摩爾-庫倫準則；灌注樁、旋噴錨索以及黑河管道襯砌等均采用彈性本構模擬。其中旋噴錨索采用植入式桁架單元，灌注樁(采用等效剛度換算截面)及管道襯砌采用板單元模擬。三維整體有限元計算模型及支護結構布置見圖2、3。

圖2 三維有限元模型網格圖

圖3 三維模型支護結構空間布置圖

計算模型的位移邊界條件為：yz面上x方向位移被約束，y、z方向位移自由；xz面上y方向位移被約束，x、z方向位移自由：模型底面xy為固定約束；另外，模型四角豎線上點的xy方向位移被約束。

2.2 計算參數選取

計算參數的選取主要依據巖土工程勘察報告，同時參考了西安地區典型土層的物理力學參數指標，計算采用土層參數見表1，其結構單元截面特性見表2。根據勘察報告，場地內地下水水位位于隧道底板以下，故本次模擬不考慮基坑降水的影響。

表1 土層物理力學參數

表2 結構單元特性表

2.3 基坑分布開挖模擬過程

參照設計方案，開挖模擬步驟為：(1) 初始狀態→(2) 施工上排樁→(3) 開挖→(4) 施工錨索→(5) 開挖→(6) 施工錨索→……，(12) 依次施工至平臺段→(13) 施工下排樁→(14) 開挖→(15) 施工錨索→……，依次施工直至基坑坑底為止(見圖4)。每層開挖深度2.5 m，分別模擬開挖至平臺段和坑底時管線所受的最大應力和位移。

圖4 開挖模擬步驟圖 單位：m

3 數值分析

3.1 基坑變形分析

根據開挖支護過程模擬分析，上半部分在施工的11種工況下，水平位移最大值為-6.69～7.21 mm，工況序號為(11)，最大變形量位于上半部分基坑坑底13.6 m處，坑底隆起1.37 cm；下半部分在施工的9種工況下，水平位移最大值為-13.56～5.64 mm，工況序號為(20)，最大變形量位于下半部分基坑坑底28.1 m處，坑底隆起值為14.4 mm(見圖5)。地表沉降值在開挖至平臺階段為1 mm，開挖完成階段為1.5 mm。基坑頂部水平和垂直位移均不足15 mm，滿足基坑變形控制標準。

圖5 開挖完成后總變形矢量圖

3.2 圍護結構變形分析

(1) 錨索軸力

在開挖至平臺段～開挖至坑底這一施工過程中，錨索軸力最大值的位置不同，開挖至坑底時對應的錨索軸力最大，為1 005.31 kN。

(2) 灌注樁變形分析

灌注樁在開挖過程中變形量較小，開挖至平臺段時x方向變形量為2.78 mm，z方向變形量為2.08 mm；開挖至坑底時x方向變形量為4.14 mm，z方向變形量為12.53 mm。變形量均未超過15 mm，滿足灌注樁變形控制要求。灌注樁最大彎矩發生在開挖至坑底，彎矩值為961.9 kN/m2，小于0.2倍極限彎矩值，支護結構安全級別達到一級，正常情況下無需采取措施。

3.3 黑河管線變形分析

當基坑開挖至平臺段時，黑河管線受其開挖影響總變形量最大值為2.5 mm，x、z方向最大變形量分別為2.3 mm、-0.97 mm；當基坑開挖至坑底時，黑河管線受其開挖影響總變形量達到2.89 mm(見圖6)，x、z方向最大變形量分別為2.84 mm、-1.24 mm。由此可見，黑河管線受基坑開挖影響主要發生在上半部基坑施工過程，黑河管線x方向變形為z方向的2倍，主要為水平位移，總體變形與開挖變形趨勢一致，即其變形主要取決于周邊土體變形值的大小。z方向變形量為負值，代表為沉降變形。

圖6 基坑開挖至坑底管線變形云圖

3.4 管線安全評價

基坑開挖改變了原有土體的應力平衡，使得相鄰支護結構側移，土體也隨之發生側移，必然導致地下管線發生向基坑內方向的變形，當位移達到變形的極限值時，將會引起拉裂破壞。同時土體位移作用在管線上，將產生附加應力，當附加應力超過管線材料抗拉強度時，管線將發生破裂。

(1) 容許強度

地下管線處于安全狀態，強度需滿足：

(1)

式中：δmax為管線截面所受的最大應力；δ為管線材料的容許強度。

根據數值計算，最大主應力在基坑開挖至平臺段時為148 kPa，開挖至坑底段時為121 kPa，均遠小于C15混凝土的強度，因此單從應力角度看不會引起隧洞混凝土破壞，控制管線安全的主要因素為土層變形引起的管線位移量。

(2) 容許變形量

現行規范規定[9]，當地下管線累計位移量不超過10 mm時，可滿足變形控制要求。鑒于黑河管線屬早期設計建造的輸水工程，混凝土襯砌標號不高，設計采用標準較低，且目前管線已存在小量滲漏等實際現狀，從管道構件安全、耐久的角度出發，現行規范控制標準偏低。黑河管線在本基坑段長約210 m，本段最多有12處分倉接頭。管道各分段鋼筋混凝土構件可視為剛形體，因基坑開挖引起的附加應力遠小于自身材料的強度，因而各分段自身不形成裂縫，相對而言接縫處強度較低，認為裂縫主要在各段連接頭處產生。根據SL654—2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設計規范》[10]，地下環境條件下，混凝土構件正截面的表面最大裂縫寬度不能超過0.3 mm。也就是各接頭處裂縫寬度不能超過0.3 mm，若接頭處產生的裂縫大于0.3 mm，則認為管道將產生滲漏等問題。12處接頭產生的最大容許變形量為3.6 mm(12×0.3 mm)，且不允許產生大于0.3 mm的差異性變形。通過前述數值計算結果，黑河管線最大變形量為2.9 mm<3.6 mm，滿足管線控制變形要求。表3為黑河管道變形控制標準。

表3 黑河管線變形控制標準

4 結 語

(1) 通過數值模擬，基坑坑壁和圍護結構的最大變形量均滿足變形控制要求；灌注樁產生的彎矩小于0.2倍極限彎矩，支護結構內力安全評價級別為一級，正常情況下無需采取其他措施。

(2) 黑河管線因基坑開挖遭受的附加應力最大值遠小于材料自身強度，從應力角度不會引起管線破裂，控制管線安全的主要因素為土層側移引起的管線累計位移量和差異性變形量。

(3) 根據混凝土最大裂縫寬度限值，提出了管線在該段最大容許變形量和差異性沉降差值。通過計算，基坑開挖產生的土體位移量小于管線容許變形量，滿足管線變形控制標準。

[1] 張陳蓉,俞劍,黃茂松.基坑開挖對鄰近地下管線影響的變形控制標準[J].巖土力學，2012,33(07):2027-2037.

[2] 李大勇,龔曉南.深基坑開挖對周圍地下管線影響因素分析[J].建筑技術，2003,34(02):94-96.

[3] 左殿軍,史林,李銘銘，等.深基坑開挖對鄰近地鐵隧洞影響數值計算分析[J].巖土工程學報，2014,36(S2):391-395.

[4] AHMED I.Pipeline response to excavation in-duced ground movements[D].New York:Cornell University,1990.

[5] 賈洪斌.深基坑開挖對周圍地埋管線的影響分析[D].上海：同濟大學，2007.[6] 鄭剛,劉慶晨,鄧旭,等.基坑開挖對下臥運營地鐵隧道影響的數值分析與變形控制研究[J].巖土力學，2012,33(04):1109-1117.[7] 魏剛.基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的實測與分析[J].巖土力學，2013,34(05):1421-1428.

[8] 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(01):120-124.[9] 山東省建設廳.建筑基坑工程監測技術規范：GB5049-2009[S].北京：中國計劃出版社，2010.

[10] 中華人民共和國水利部.水利水電工程合理使用平限及耐久性設計規范：SL654-2004[S].北京：中國水利水電出版社，2014.

Safety Assessment of Impacts from Deep Foundation Pit Excavation on Neighboring Underground Pipeline

WANG Youlin1,2, XU Xiaoxia1, CHEN Nan1

(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065,China; 2. High Slope and Geological Hazard Research Treatment Division of China Hydropower Technology Research and Development Center, Xi'an 710065,China)

The foundation pit excavation changes the stress balance of the original soil mass causing the neighboring support structure and soil mass to displace laterally. This definitely results in deformation of underground pipeline inward the foundation pit. Based on one deep foundation it, in the paper and by application of data analogy, the slope stress and strain during the pit excavation and support by loading as well as the impacts by the stress and strain on the pipeline are studied. Through demonstration on the horizontal displacement value of the foundation pit and the total deformation control value of the pipeline, the corresponding safety alert value is proposed. This provides preparation of safety emergency plan of the foundation pit with reference. Key words:deep foundation pit; underground pipeline; data analysis; control standard; safety assessment

1006—2610(2016)06—0097—04

2016-10-24

王有林(1983- )，男，青海省互助縣人，工程師，主要從事水利水電工程地質勘察和地質災害防治方面的生產科研工作.

TU473.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.06.025