深基坑開挖對臨近地下管線影響分析

趙平　袁海平

摘要：為研究深基坑開挖對臨近管線的影響規律，選取合肥市某深基坑為研究對象，利用MIDAS-GTS三維有限元軟件進行數值模擬，重點分析了臨近管線材質、管線位置的改變在基坑開挖過程中對管線位移的影響.結果表明：基坑開挖對管線的豎向位移影響要小于水平位移，當管線彈性模量大于890Mpa時，管線位移趨于穩定，最大位移接近7mm.當管線距離基坑大于25m時，管線位移趨于穩定，最大位移接近8mm.

關鍵詞：地下管線;基坑開挖;管線變形;數值模擬

中圖分類號：TD353? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）09-0097-03

近年來隨著城市建設的快速發展，大量的深基坑工程不斷涌現.基坑開挖會使得周圍土體產生位移，土體位移也會導致土體中掩埋的管線發生相應變形.將基坑開挖周圍管線的變形規律研究清楚，有助于保證管線的正常使用.因此，對于深基坑開挖導致臨近管線變形的研究具有重要的工程指導意義.

許多學者對基坑開挖對附近管線的影響做了不少研究.文獻[1]研究了內撐式基坑在開挖過程中對地下管線的影響;文獻[2]研究了在對基坑周圍表面加載情況下基坑開挖對臨近管線位移的影響;文獻[3，4]利用有限元軟件建立相關的三維模型，運用數值模擬對基坑開挖對臨近管線的影響做了研究.這些文獻中大量研究的是內支撐式基坑開挖，而對于懸臂式排樁支護結構的基坑開挖時對臨近地下管線的影響研究較少.本文采用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元模型對實際工程進行數值模擬，研究了開挖過程中臨近管線材質、管線位置的改變對管線變形的影響，為類似工程提供參考.

1 分析方法

1.1 土體本構模型

Mohr-Coulomb是剪切準則中最簡單的模型，收斂速度較快，本文選用Mohr-Coulomb本構模型.

1.2 地下管線模擬與受力分析

本次研究對象為常用的混凝土管線，采用線彈性本構模型，混凝土管道采用平面應力板單元來模擬，以析取單元的方式生成管壁.

2 案例分析

2.1 工程概況

合肥市某基坑長和寬均為150米，基坑開挖深度為10m，基坑采用懸臂樁支護.采用混凝土預制圓樁進行支護，樁的嵌入深度為6.2m，基坑北側有直徑為1m的埋地管線穿過，如圖1所示.H為基坑開挖深度，d為地下管線到基坑的距離，h為埋深.本案例影響寬度取3倍的開挖寬度，影響深度取3倍的開挖深度.考慮到研究對象的對稱性，為了簡化計算，取模型的一半進行分析.圖1為基坑平面圖，計算模型尺寸為：75m×150m×30m.圖2為基坑剖面圖，第一層為黏土;第二層為粉質黏土;第三層為風化巖.圖3為模型網格劃分圖.模型底面邊界采用固定約束，地表為自由面，其他四個邊界之約束相應邊界平面法向位移.

2.2 基本假定

（1）地下管線材料為均質線彈性材料;

（2）土體為彈塑性介質，也不考慮地下水的影響;

（3）圍護樁結構采用實體單元模擬，按勻質線彈性材料考慮.

計算模型的力學參數見表1.

2.3 基坑分步開挖模擬

基坑開挖過程實施過程分三部分，具體內容見表2.

3 基坑開挖對附近管線位移的影響分析

3.1 管線材質影響

不同材料的管線，其受基坑開挖的影響不同.選取表3中四種不同材料管線在基坑開挖時進行對比研究.四種材料的厚度依據規范選取，其他條件均相同.管道的材料參數見表3.

通過分析對比圖4可以發現，基坑開挖會對臨近管線水平位移產生影響，管線越靠近進坑中部，水平位移越大，基坑中部位置處管線水平位移影響最大.PVC管的彈性模量最小，受基坑開挖的影響最大，最大水平位移為54mm.鋼管的彈性模量最大，受基坑開挖的影響最小，最大水平位移為7mm.當管線的彈性模量小于890Mpa時，管線的水平位移受基坑開挖影響較大.當管線的彈性模量大于890Mpa時，管線的水平位移仍然會受到基坑開挖的影響，但影響較弱，最大水平位移為7mm.

通過分析對比圖5可以發現，基坑開挖會對臨近管線豎向位移產生影響，且對基坑中部位置處管線豎向位移影響最大.PVC管的彈性模量最小，受基坑開挖的影響最大，最大豎向位移為26mm.鋼管的彈性模量最大，受基坑開挖的影響最小，最大豎向位移為9mm.當管線的彈性模量大于890Mpa時，基坑開挖對管線的豎向位移影響大大減弱，最大豎向位移約為7mm.由此可見，隨著彈性模量的增加，材料抵抗變形的能力越強，基坑開挖對管線的影響變小，但與土體的變形協調能力越差，產生的附加應力越大.當管線材料的彈性模量小于890Mpa時，管線水平位移受影響較豎向位移大，施工時要加強對管線水平方向的保護.當管線材料的彈性模量大于890Mpa時，基坑開挖對管線的水平和豎向位移影響都較小，且最大值均接近7mm.

3.2 不同水平位置管線位移對比

基坑臨近管線所距離基坑的距離不同，管線受基坑開挖的影響程度也不同.圖6為管線水平位移曲線，圖7為管線豎向位移曲線.

從圖6可以看出管線的水平位移隨著管線到基坑的距離的減小而增大，管線在基坑中部位置的位移達到最大值.當埋地管線距離基坑大于25m時，管線各個部位位移受基坑開挖影響較小，最大水平位移和最大豎向位移均接近8mm.當d=30m時，管線的最大水平位移為8mm.當d=20m時，管線的最大水平位移為17mm.當d=5m時，管線的最大水平位移為26mm.說明基坑開挖對管線的影響隨著管線遠離基坑而減弱.

圖7表明，當d=5m時，管線的最大豎向位移為24mm，管線的最小豎向位移為4.2mm.當d=15m時，管線的最大豎向位移為13mm，管線的最小豎向位移為4.8mm.當d=30m時，管線的最大豎向位移為7.6mm，管線的最小豎向位移為4mm.由此可知，基坑臨近管線所距離基坑的距離不同，管線受基坑開挖的影響程度也不同.管線距離基坑越遠，管線的變形越小，在距離基坑大于25m時，基坑開挖對管線的影響不明顯，管線的水平位移和豎向位移都非常小.管線水平位移受影響較豎向位移大.因此在施工過程中，在符合規范要求的前提下，盡量使管線遠離基坑.

4 結論

（1）基坑開挖會對鄰近管線位移產生影響，隨著彈性模量的增加，材料抵抗變形的能力越強，基坑開挖對管線的影響變小，基坑開挖對管線的豎向位移影響要小于水平位移，當管線彈性模量大于890Mpa時，管線位移趨于穩定，最大位移接近7mm.

（2）管線距離基坑越近，水平位移和豎向位移越大，管線距離基坑越遠，水平位移和豎向位移越小.當管線距離基坑大于25m時，管線位移趨于穩定，最大位移接近8mm.因此在施工過程中，在符合規范要求的前提下，盡量使管線遠離基坑.

（3）基坑開挖過程中，臨近管線的最大位移發生在基坑中部位置，該位置處的管線位移最大，最易破壞，施工時應加以保護.

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參考文獻：

〔1〕李大勇，呂愛鐘，曾慶軍.內撐式基坑工程周圍地下管線的性狀分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23（4）：682-687.

〔2〕程濤，許萬輝，胡仁杰，余宗源.深基坑開挖引起鄰近管線位移影響的數值分析[J].土木工程與管理學報，2016，33（6）：16-21.

〔3〕王成華，段賢偉.基坑開挖對地下管線工作性狀影響的數值分析[J].地下空間與工程學報，2013，9（5）：1166-1172.

〔4〕蔡建鵬，黃茂松，錢建固，徐中華.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）：120-125.