大型深基坑開挖對周邊防汛管線的影響分析及控制措施初探

孫春艷

(上海汀瀅環保科技有限公司，上海 201707)

隨著我國經濟社會的發展，建筑業也如雨后春筍般地成長，各類超高層、超大層建筑物崛地而起，基坑的開挖深度和廣度也逐步增加，尤其是北京、上海、廣州、深圳等一線城市，基坑周邊的環境條件愈發復雜，位于城市集聚區的大型深基坑建設，基坑開挖將面臨較大的環境保護要求。地下防汛管線，是城市集聚區最常見的地下管線，是城市防汛除澇的重要渠道，防汛管線系統是極端暴雨天氣下城市的重要保護屏障，管線一旦遭到破壞，后果不堪設想。

由于大型基坑建設規模大、開挖深度深，在周邊存在防汛管線的基坑施工過程中，主體圍護結構、基坑支護體系以及基坑土體的開挖方式和步驟，都會對鄰近的防汛管線造成影響。尤其是施工期，基坑開挖造成坑頂卸荷，圍護墻位移和基坑坑底隆起，引起基坑外土體損失，進而引起地面沉降，地下防汛管線一旦隨土體產生位移變化，勢必影響防汛管線安全。本文采用PLAXIS有限元軟件，分別模擬分析上海市星港國際中心項目基坑開挖過程對公平路、東大名路、海門路、東長治路排水管線的影響，借助有限元軟件建立基坑開挖數值模型，對基坑開挖過程中對鄰近防汛管線變形的影響進行分析，根據數值模擬結果提出減小和控制管線變形的針對性方法，為類似大型深基坑工程對周邊防汛管線的保護提供借鑒，減少類似事故的發生。

圖1 項目平面相對位置

1 工程概況

上海市星港國際中心項目總建筑面積412419.3m2，設計共包括地下室6層，建筑面積182546m2，工程基坑規模大，深基坑平面尺寸為220m×40m，面積約30440m2，共劃分為6個區。項目北側緊鄰地鐵，臨近地鐵側基坑設5層地下室，開挖深度介于16.8～23.8m之間，地下室底板底部標高為-25.0m，基坑總開挖面積為3155m2；剩余地下室均為6層結構，此處地下室底板底部標高為-28.5m，基坑總開挖面積27285m2；根據工程環境及基坑自身情況，基坑安全等級及環境保護等級均為一級。

深基坑工程主體圍護結構采用地下連續墻結構型式，項目地下工程基坑圍護結構采用1.2m厚地下連續墻結構，圍護結構深度介于50.0～55.0m之間，地連墻采取3循環垂直水泥土攪拌墻進行施工，對地連墻兩側槽壁進行加厚處理，外圈外側加固方式為借助單排700mm厚TRD工法進行，剩余部位加固方式借助φ850@600三軸水泥土攪拌樁進行。基坑分為6個區，明挖順作，共設6道鋼筋混凝土支撐，支撐平面布置主要為對撐與角撐組合的形式。

2 基坑周邊防汛管線情況

基坑周邊環境緊湊、復雜，基地四周路面下均分布有較多雨污水管線，見圖1，雨污水合流管徑大，多數管道距離基坑在0.5倍基坑開挖深度范圍內，對基坑周邊防汛管線各項數據進行統計，結果見表1。

表1 周邊防汛管線一覽表

3 防汛管線位移變形控制標準確定

國內相關技術規范及標準對地下管線變形控制(水平位移、垂直位移)指標提出了明確要求，見表2，由此確定該基坑工程項目區周邊防汛管線的控制標準，見表3。

表2 地下管線報警值控制值

表3 防汛管線變形控制標準

4 基坑施工對防汛管線的影響計算和分析

4.1 模擬方法

基坑開挖過程中隨著坑內土體的開挖卸載，基坑開挖深度的逐漸增加，使得基坑周圍土體原有土壓力平衡遭到破壞，在主被動土壓力差作用下，基坑圍護結構出現位移［1］，基坑周邊防汛管線在坑周土體變形影響下產生位移，其位移量與距離基坑邊距離呈負相關關系。應變分析的主要源頭為應力分析，常見方法主要有經驗法、數值分析法及彈性地基梁法。有限元法適于處理土體變形產生的一系列非均質體、非線性的復雜邊界問題，本文采用數值分析方法，利用PLAXIS有限元計算軟件，簡化計算剖面進行分析，建立與施工條件相一致的平面有限元模型，通過數值模擬計算，對基坑開挖引起的周邊防汛管線變形影響進行預判。

土體采用Mohr-Coulomb模型，確保模擬單元內的任何一個平面都能夠有效遵守Coulomb摩擦定律。基坑開挖過程中，圍護結構同土體之間產生相互作用，數值模擬過程中采取彈塑性無厚度的Goodman接觸面來模擬這種相互作用關系。

依據建立的深基坑開挖數值模型，對基坑施工過程進行數值模擬，分析基坑土體開挖過程對于防汛管線位移的影響。采用PLAXIS有限元計算軟件對施工階段進行模擬過程中，借助于“單元生死”的方式實現基坑土體開挖及支護體系的施工，本工程深基坑采取明挖順做法進行施工，根據基坑施工現場真實施工情況結合合理假設動態模擬基坑開挖的整個過程。

4.2 計算參數

結合工程地質勘查成果，參考周邊工程地質勘查及施工數據，整理本工程基坑開挖范圍內各層土體的物理力學參數，見表4。

表4 項目區土層物理力學性質參數

4.3 分析模型建立

4.3.1 計算區域

基坑工程西側、南側、東側分析模型深度取距離圍護樁頂70m，模型總寬度85m；基坑北側對C區的基坑分析模型深度取距離圍護樁頂70m，模型總寬度100m。模型界面以水平方向為X軸方向，重力方向為Y軸方向，并對基坑周邊邊界施加位移約束。在單元選取上選用等三角形十五節點平面單元對土體進行單元劃分。

4.3.2 計算工況

計算工程初始應力場(地下水位取地表下1.5m)；對上述步驟產生位移歸0；激活基坑圍護設施和周邊道路荷載。

基坑外水位為-1.5m(相對地面標高)；基坑內降水至坑底-0.5m處(相對坑底標高)；根據現場情況選取坑邊超載為20kPa；基坑土體開挖至坑底。

4.3.3 模擬施工步驟

圍護樁施工→基坑降水→坑頂卸荷→開挖至第一道支撐→設置第一道支撐→開挖至第二道支撐→設置第二道支撐(依次進行)→開挖至坑底。

5 基坑施工對防汛管線的影響計算與分析

在對計算結果進行分析過程中，將管線位移取為其所在位置土體的變形量，根據該方法經模擬得到基坑開挖過程中研究管線的總位移、水平位移及豎向位移，并提取位移云圖，見圖2～圖5。

圖2 基地東側海門路基坑開挖到坑底時的土層水平變形及垂直變形

圖3 基地南側東大名路基坑開挖到坑底時的土層水平變形及垂直變形

圖4 基地西側公平路基坑開挖到坑底時的土層水平變形及垂直變形

圖5 基地北側東長治路基坑開挖到坑底時的土層水平變形及垂直變形

根據模型計算結果，統計基坑開挖對周邊防汛管 線的影響變形量，見表5。

表5 周邊防汛管線變形計算成果

基坑開挖過程中隨著坑內土體的開挖卸載，基坑周邊土體應力被逐步釋放，在基坑內外主被動土壓力差作用下基坑周邊土體發生變形，進一步使得基坑周邊防汛管線出現位移［2］。本基坑工程項目為大型深基坑工程，基坑面積大、深度深。基坑圍護方案在鋼筋混凝土地下連續墻+兩側三軸攪拌樁槽壁加固及6道1.2m×1.0m橫向鋼筋混凝土支撐設置下，臨近雨污水管線水平位移均在允許范圍內，該理論計算結果的條件是隨挖隨撐，最大化地降低土體位移場的變化。同時，由于距離基坑較近，受基坑開挖及施工荷載的影響，對基坑外形成正彎矩，理論計算管道垂直變形均超出報警值，特別是基地東側海門路下DN900雨污水合流管、基地東側海門路下DN900雨污水合流管管徑較大，又是區域重要排水管線，一旦破壞，后果嚴重。因此，應提升基坑圍護方案中控制豎向變形的措施，施工期間控制豎向荷載，并加強對所有管線的重點監測保護，制定相應的動態保護措施和應急搶險方案，防止意外的發生。

6 預防管線變形的控制保護方案

6.1 處理措施

針對管線發生的垂直位移變形可能超過允許變形量的情況，需采取有效的保護方案和措施。處理措施主要分為3個方面。

a.從源頭上保護。加強圍護墻結構設計、降低地下水位、合理確認開挖方式等，減少因有效應力增加引起的不均勻沉降。

b.從傳播途徑上保護。管線與基坑之間采取隔斷措施，使應力傳遞中斷，減少管線周邊土體的沉降變形。

c.提高周圍環境抵抗變形的整體能力。

6.2 保護方案

針對本項目防汛管線計算結果，提出如下周邊防汛管線的保護方案。

a.樁基施工前，在管線與樁基之間采取靜壓鋼板樁的隔離措施，以防止防汛管線周圍土體受壓變形。

b.基坑周邊管線上部路面進行硬化，采用C30、300mm厚鋼筋混凝土進行硬化處理。鋼筋采用直徑20mm鋼筋，縱、橫向間距均為20cm，網片結構布置［3］。

c.地面設置防汛管線走向的警示標志及標識牌。

d.由于承壓水頭勘察期間與施工期間可能存在變化，基坑開挖前對承壓水再次進行試驗，結合施工前試驗數據以及底板局部深坑的最終挖深，采取合理措施分級按需對承壓水降壓，控制減少降承壓水對防汛管線的影響，確保基坑的安全施工，保護周邊防汛管線。

e.為防止支護結構變形過大，基坑開挖過程中嚴格控制開挖深度1倍范圍內移動荷載，并嚴禁在該范圍內堆載。

f.管線的變形主要由周圍土體變形引起，土體開挖應該注意時間效應，并嚴格按照施工方案分層、分塊開挖，并注意隨挖隨撐，盡量減少支護結構無支撐暴露時間，防止土體流變的產生。

g.施工過程中加強對管線的水平及垂直位移監測控制，如產生超過日報警值2mm/d或累計8mm/d的情況，及時告知參建各方，以便及時對超報警值管線采取相應的保護和加固措施。

7 監測結果分析

項目監測過程防汛管線水平監測布點84個，垂直監測布點109個，監測頻率1次/天、2次/周，根據項目自樁基施工至地下結構出0.00mm地面后的整個過程及后續半年時間的監測成果，沉降累計值最大的點為公平路上的Y3點，DN600雨污水合流管線，水平變形5.78mm，垂直變形-9.85mm，并趨于穩定，管線無結構性及功能性損壞，沉降變形與PLAXIS模型在施工前根據圍護方案計算的管線變形結論基本一致，管線豎向變形模擬值整體大于實測值［4］。

8 結論

大型深基坑開挖過程中，大面積的土方卸載勢必引起基坑周圍土體的位移場變化，對周邊環境產生不利影響，尤其是對臨近防汛管線的正常使用可能產生較大的安全隱患［5］。

通過采用有限元計算結果及監測結論，提出以下結論：按基坑實際分區順序、開挖及支撐順序執行，嚴格模擬實際施工過程，更利于保證結果與實際發生情況的分析一致性；管線的變形主要由周圍土體變形引起，土體開挖應注意時間效應，基坑開 挖應有效借助“時空效應”原理進行施工組織，按照限時開挖原則規范施工過程［6］；按照施工方案規范各項工藝流程，注重支護體系及時施工，防止超挖，減少土體流變；加強施工過程中基坑外側荷載控制，尤其是1倍基坑開挖深度范圍內，嚴禁堆載；施工道路的硬化對防汛管線的保護具有有利作用；加強施工過程中的監測，對發生報警值的管線及時采取相應加固措施，對防汛管線變形進行針對性的預控。