軟土地基基坑開挖對(duì)鄰近管線影響分析

解林博，徐賓賓，寇曉強(qiáng)

（中交天津港灣工程研究院有限公司；港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

1 研究背景及工程概況

珠海市橫琴島位于珠海市陸域東南部，珠江出海口西側(cè)，東隔十字門水道與澳門相鄰，南瀕南海，西臨磨刀門水道，北與珠海南灣城區(qū)隔馬騮洲水道相望，橫琴島南北長8.6 km，東西寬約7 km，總面積106.46 km2。橫琴地區(qū)軟土具有如下的工程特性：1）含水量高：天然含水量范圍值為43.5%～132%，平均值為61.58%；2）壓縮性高：孔隙比范圍值為1.12～4.19，平均值為2.32。壓縮系數(shù)范圍值為1.56～4.86 MPa-1，平均值為2.59 MPa-1，屬高壓縮性土；3）承載力低：無側(cè)限抗壓強(qiáng)度范圍值為2.39～31.3 kPa，平均值為13.60 kPa，未經(jīng)修正的地基承載力特征值一般為30～50 kPa。

擬建排洪渠南側(cè)通長與橫琴大道緊鄰，兩者之間為道路管廊帶，管廊帶邊緣距排洪渠底邊線最近約7.5 m，如圖1所示。

圖1 擬建排洪渠與周邊建筑斷面圖Fig.1 Crosssection of floodwaters trench and surrounding structure

設(shè)計(jì)采用支護(hù)方案為LXK工法樁，基礎(chǔ)采用多支盤高壓旋噴樁。由于基坑開挖深度范圍內(nèi)及以下分布有大量的淤泥質(zhì)軟土層，基坑附近同時(shí)分布有橫琴大道綜合管廊結(jié)構(gòu)，基坑開挖引起的地層擾動(dòng)極易對(duì)已建結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。基坑開挖對(duì)地下管道及建筑物的影響一直是學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。李大勇等在考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、土體與地下管線變形耦合作用的基礎(chǔ)上利用三維有限元軟件分析了基坑開挖過程中柔性地下管線的位移和內(nèi)力[1]。王磊等建立基坑開挖對(duì)地下管線影響的有限元分析模型，分別考慮了管道埋深、施工工況、管道材料等方面的影響，認(rèn)為基坑開挖對(duì)管道的豎向位移影響較小，水平位移影響較大[2]。王威等利用Flac3D軟件分析了基坑開挖對(duì)鄰近不同直徑管道的影響，建立了相應(yīng)的影響評(píng)價(jià)方法[3]。周勇等以某地鐵車站基坑為研究對(duì)象，借助有限元軟件ADINA建立了地鐵車站基坑三維有限元模型，分析了基坑開挖降水過程中地下管道的變形情況[4]。王成華等利用Plaxis3D Tunnel軟件分析模擬了基坑分步開挖對(duì)鄰近管線的影響，分析了管徑、管線數(shù)量、基坑尺寸、土體參數(shù)以及施工步驟對(duì)地下管線的影響，對(duì)開挖過程中管線的位移和內(nèi)力進(jìn)行了詳細(xì)的分析[5]。楊卓等以臨近北京地鐵朝陽門站深基坑某高層建筑為背景，采用有限元分析軟件PLAXIS建立了考慮位移場、滲流場情況下的深基坑開挖對(duì)鄰近高層建筑影響的三維數(shù)值模型，對(duì)基坑開挖引起的高層建筑變形與沉降進(jìn)行了分析計(jì)算[6]。

考慮到該基坑采用的LXK工法的特殊性，本文利用Flac3D軟件對(duì)基坑開挖影響進(jìn)行前瞻性分析計(jì)算，論證基坑開挖過程中基坑支護(hù)形式及效果，為設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步的指導(dǎo)。

2 地勘資料及設(shè)計(jì)支護(hù)方案

根據(jù)地勘資料，土體參數(shù)如表1所示，基坑開挖范圍內(nèi)，地層表層分布有約8 m深的素填土，素填土下部則分布近18 m厚的淤泥質(zhì)土，該淤泥質(zhì)土含水率普遍在61%～74%，呈流塑狀態(tài)，土體強(qiáng)度極低，土體受擾動(dòng)后變形明顯。

表1 地層分布及各層土主要物理力學(xué)參數(shù)Table1 Ground stratum and physical and mechanical parameters of soil

擬建排洪渠基坑開挖支護(hù)方案擬采用LXK工法進(jìn)行，如圖2所示，LXK工法通過對(duì)沒有自穩(wěn)能力的松散軟土進(jìn)行豎向、斜向超前加固，并通過實(shí)施水泥墻，施工水泥土大直徑地錨二道工序，產(chǎn)生樹根網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)，從而形成復(fù)合地基及重力式擋土結(jié)構(gòu)。

圖2 LXK工法示意圖Fig.2 Sketch of LXK method

3 數(shù)值分析模型

為分析擬建排洪渠基坑開挖對(duì)橫琴大道側(cè)已建管廊影響，基于FLAC3D有限差分平臺(tái)建立基坑開挖及支護(hù)施工過程數(shù)值分析模型，如圖3所示。模型寬度77 m，深度32.5 m，考慮到基坑開挖對(duì)稱性取排洪渠基坑橫琴大道側(cè)一半進(jìn)行計(jì)算，LXK工法中錨桿采用FLAC3D中錨桿單元進(jìn)行模擬，其余隧道攪拌樁等結(jié)構(gòu)體采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格；模型中地層部分采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，管廊等建筑結(jié)構(gòu)部分采用彈性模型進(jìn)行分析計(jì)算。模擬過程中，首先形成地質(zhì)分層，并賦予各層土體初始應(yīng)力，使整個(gè)模型達(dá)到應(yīng)力平衡，然后按照基坑施工順序進(jìn)行豎向坑底加固、開挖、噴射混凝土、斜向錨固、再開挖等步驟進(jìn)行模擬。由于本區(qū)域地基主要為低透水性淤泥質(zhì)黏土地層，本文主要討論的是基坑開挖對(duì)周圍土體及結(jié)構(gòu)的變形影響，因此基坑開挖過程中土體滲透對(duì)基坑開挖影響未在本數(shù)值模型中進(jìn)行單獨(dú)考慮。模型中各層土性采用表1取值。

圖4 開挖過程中地層側(cè)向位移分布云圖Fig.4 Distribution of lateral displacement of layer during excavation

圖3 數(shù)值分析模型Fig.3 Analysismodel of numerical calculation

為在施工過程中避開已建管廊，按照設(shè)計(jì)要求錨桿分三層不均勻打設(shè)，第一、三層傾斜25毅，第二層傾斜15毅，錨桿注漿孔直徑500 mm，擴(kuò)大頭直徑800 mm，軸向拉力設(shè)計(jì)值第一、二層80 kN，第三層70 kN，第一層錨桿長度9 m，第二、三層錨桿長度10 m。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

基坑開挖過程中模型地基側(cè)向位移分布發(fā)展云圖如圖4所示。

可以明顯發(fā)現(xiàn)，開挖過程中，基坑最大側(cè)向位移主要集中在坑壁坡腳位置，由坡腳位置向外側(cè)擴(kuò)散，隨著開挖的進(jìn)行，側(cè)向位移量不斷增加，出現(xiàn)明顯側(cè)向位移的范圍也向外側(cè)不斷擴(kuò)散，開挖第一層結(jié)束時(shí)，坡腳處最大側(cè)向位移為3.1 cm，直至最后開挖結(jié)束坡腳處最大側(cè)向位移達(dá)到13.3 cm，出現(xiàn)2 cm以上明顯位移的范圍達(dá)到基坑外側(cè)25 m。

圖5 開挖過程中管廊結(jié)構(gòu)側(cè)向位移分布云圖Fig.5 Distribution of lateral displacement of pipeline structure during excavation

觀察橫琴大道側(cè)管廊結(jié)構(gòu)開挖過程側(cè)向位移發(fā)展，如圖5所示，可以明顯發(fā)現(xiàn)，管廊結(jié)構(gòu)側(cè)向位移主要呈現(xiàn)下大上小的分布，最靠近基坑的污水管線下部位移量最大，遠(yuǎn)離基坑的綜合管廊上部位移量較小，其中污水管線處最大位移量從第一層開挖時(shí)的2.36 cm，發(fā)展至開挖完成后的10.65 cm，開挖過程中污水管線位移明顯。從整體上看，污水管線、雨水管線及綜合管廊呈整體式向基坑側(cè)平移并伴隨一定傾斜的趨勢，單個(gè)結(jié)構(gòu)的位移差不大，說明結(jié)構(gòu)在斷面上拉裂的可能性不大。

觀察對(duì)比開挖過程中管廊帶結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移與基坑壁最大側(cè)向位移發(fā)展規(guī)律，如圖6、圖7所示，在基坑開挖過程中，管廊帶結(jié)構(gòu)側(cè)向位移量呈直線上升的態(tài)勢，直至最終開挖完成后側(cè)向位移量達(dá)到10.65 cm，而基坑壁處最大側(cè)向位移在第一層開挖時(shí)即有3.12 cm，隨著開挖的繼續(xù)，坑壁處最大側(cè)向位移量不斷增大，但最大側(cè)向位移的發(fā)生位置也隨開挖深度的增加而不斷加深，最大位移點(diǎn)由初始第一層開挖完成時(shí)的坡腳下的一定深度處，逐漸集中到開挖完成后的坡腳位置，最終在打設(shè)三層錨桿的情況下，基坑壁處的最大側(cè)向位移量為13.31 cm。考慮基坑下部分布較深的淤泥質(zhì)軟土層，錨桿的打設(shè)及LXK工法的施作使得基坑整體最終呈穩(wěn)定態(tài)勢，在基坑開挖過程中較好地起到了坑壁加固效果，維持了基坑開挖穩(wěn)定。

圖6 開挖過程中管廊帶結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移發(fā)展曲線Fig.6 Variation of maximum lateral displacement of pipeline structureduring excavation

圖7 開挖過程中基坑壁最大側(cè)向位移發(fā)展曲線Fig.7 Variation of maximum lateral displacement of foundation pit wall during excavation

由前述分析可知，采用LXK工法對(duì)基坑周圍土體進(jìn)行加固支護(hù)可滿足基坑在深厚軟土地層開挖的穩(wěn)定性要求，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，基坑開挖過程中對(duì)周圍鄰近建構(gòu)筑物產(chǎn)生明顯的擾動(dòng)影響。為進(jìn)一步根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場情況優(yōu)化方案，并對(duì)LXK工法對(duì)降低基坑周邊已建構(gòu)筑物位移的可行性進(jìn)行討論，并考察錨桿加固在限制基坑周圍土體變形方面的作用。為考察基坑外側(cè)周邊管廊帶附近錨桿加固效果，將第一層錨桿進(jìn)行加長，由原10 m加長至15 m并穿過管廊帶，如圖8所示。從而考察在部分加長錨桿（穿過管廊帶）后，基坑開挖對(duì)周邊地層及構(gòu)筑物影響是否有顯著減小。

圖8 第一層錨桿加長至15 m穿過管廊帶Fig.8 Lengthen the first floor bolt to 15 m and cross through the pipegallery

如圖9所示，為第一層加長至15 m時(shí)基坑開挖完成后地層側(cè)向位移分布情況，對(duì)比原設(shè)計(jì)方案（錨桿長10 m）時(shí)開挖完成后側(cè)向位移分布，可以發(fā)現(xiàn)，模型整體側(cè)向位移分布改變不明顯。

圖9 第一層錨桿加長至15 m時(shí)基坑開挖完成后地層側(cè)向位移云圖Fig.9 Nephogram of horizontal displacement in theground after excavation when the first floor bolt is 15 m

如圖10所示，對(duì)比錨桿加長至15 m后管廊帶結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移發(fā)展曲線，與原設(shè)計(jì)方案對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，錨桿加長后對(duì)管廊帶結(jié)構(gòu)位移有一定削弱，但改善并不明顯。

圖10 錨桿加長與原支護(hù)方案管廊帶結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移發(fā)展曲線對(duì)比Fig.10 Maximumhorizontaldisplacementcurvecomparison of the pipe gallery structureswith the lengthened bolt and original supporting scheme

因此，為了進(jìn)一步降低基坑開挖對(duì)周邊已建構(gòu)筑物的影響，局部增長錨桿長度并不能有效的改善周邊變形。分析原因，錨桿的打設(shè)雖然可穿過土體滑動(dòng)面，從而保證土體不因失穩(wěn)而產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，但由于錨桿本身的打設(shè)方向主要為垂直于坑壁方向（水平方向），且錨桿本身結(jié)構(gòu)只能抗拉而不具備抗壓性能，因此在限制基坑周邊土體的水平側(cè)向位移上并不能起到顯著作用。因此，增加錨桿長度并不能起到有效改善基坑開挖影響周邊已建構(gòu)筑物側(cè)向位移的效果。

5 結(jié)語

為評(píng)價(jià)軟土地基基坑開挖過程對(duì)鄰近地下管線的影響，本文利用Flac3D有限元軟件對(duì)基坑開挖過程中管線的應(yīng)力和變形進(jìn)行了詳細(xì)的分析，主要結(jié)論如下：

1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移隨著基坑的開挖而逐漸增大，且影響范圍也逐漸擴(kuò)大。開挖結(jié)束時(shí)，坡腳處最大側(cè)向位移達(dá)到了13.3 cm，出現(xiàn)2 cm以上明顯位移的范圍達(dá)到了基坑外側(cè)25 m；

2）錨桿打設(shè)在基坑壁附近，加固約束土體，土體整體抗滑效果明顯，而由于其結(jié)構(gòu)特性限制，其在限制相鄰結(jié)構(gòu)的整體側(cè)向位移方面效果并不明顯，加長錨桿對(duì)約束限制基坑開挖引起的相鄰結(jié)構(gòu)側(cè)向位移效果有限；

3）開挖過程中，污水管線、雨水管線及綜合管廊呈整體式向基坑側(cè)平移并伴隨一定傾斜的趨勢，單個(gè)結(jié)構(gòu)的位移差不大，結(jié)構(gòu)在橫斷面上拉裂的可能性不大，但仍需考慮結(jié)構(gòu)縱向不均勻變形。

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