基坑開挖對上方既有管線影響的數值分析

陳朝陽，趙鵬程，趙勇，汪志強，卜旭東

（1.中鐵四局集團第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215131；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009）

1 引言

隨著城市化的快速發展，在城市中心修建地下隧道會不可避免與城市既有供水管線、燃氣管線等相交叉，地下管網素有“城市生命線”的美稱，常出現在人口密集、場地狹小的環境中，在如此復雜的條件下進行深大基坑作業，基坑開挖過程勢必會導致周圍管線安全受到影響。采用明挖法修建的地下隧道遇到周邊有市政管線時，在基坑開挖前可以遷改的已經遷改完成，但某些管線由于條件限制不能遷改的同時須保證其正常使用的功能，因此如何做好市政管線的保護工作是此類問題的關鍵所在。

目前針對市政工程中管線保護的主要措施有：隔離法、懸吊法、支撐法、卸載保護法、臨時遷拆法等幾種方法[1]，針對相關問題國內外學者也做了大量的研究。韋凱等[2]研究了盾構隧道下穿管線施工過程中不同應力釋放率和不同掘進面推力對地下管線沉降的影響。蔡東明等[3]對廣渠路東延工程中橫跨基坑的雨水管線進行懸吊保護設計，并對該方案進行結構計算，該設計方案可為類似工程提供參考。郜新軍等[4]基于有限元分析方法，建立了基坑及鄰近管線的三維整體數值模型，分析了深基坑開挖過程中鄰近管線的位移變化規律并對其安全性進行了評價。楊佳春[5]利用有限元軟件對基坑周邊管線進行數值計算，歸納總結了基坑開挖對不同管線造成的位移變形特點，為隧道基坑周邊管線的合理優化提供了依據。李大勇等[6]建立了同時考慮基坑圍護結構、土體與地下管線變形耦合作用的三維有限元分析模型，對地下管線保護措施的幾種方法進行了數值分析。金祎等[7]運用有限元軟件模擬基坑開挖引起大直徑管線位移的變化分析了基坑開挖引起的管線水平位移的豎向位移規律。

本文以蘇州永方路和春申湖路交口隧道基坑開挖工程為背景，結合基坑開挖和供水管線懸吊保護施工工藝，使用Midas/GTS軟件對施工過程進行三維數值計算，分析基坑開挖過程中其圍護結構和供水管線的變形及受力情況，為該基坑支護及管線保護方案的設計及施工的合理性提供了依據。

2 工程概況

永方路節點隧道沿春申湖路東西走向，主線采用兩孔一管廊形式，行車孔凈寬13.1m，中間管廊凈寬1.8m，中隔墻厚度0.5m。該節點結合交通、其他管線遷改設計方案，將給水管所在的永方路與春申湖路交叉口作為一個獨立基坑施工，基坑設計長度約38m，基坑寬度30.8 m，開挖深度約12.5 m。隧道基坑下穿蘇州水務集團DN1800（渾）和DN1400（清）自來水水管，水管呈南北走向，與隧道中心線夾角為80.6。。管道材質均為鋼管。根據物探成果，永方路節點處 DN1800水管頂標高 2.21～2.31m，DN1400水管頂標高2.02～2.16m。

擬建工程位于蘇州市相城區，場地屬長江三角洲太湖流域沖湖積平原區，地貌形態單一，地形總體較平坦。根據施工現場地質數據，該節點隧道基坑涉及的土層自上而下分別為①2雜填土、①3素填土、③1粘土、③2粉質粘土、④1粉質粘土、④2粉土、⑤粉質粘土、⑥1粘土。各土層參數如表1所示。

圖1 永方路節點基坑三維示意圖

土層力學參數 表1

3 數值計算分析

3.1 建立模型

使用有限元軟件Midas/GTS建立三維模型，重點分析基坑圍護結構及管線的變形規律，為簡化計算，作出如下假設條件：

①各層土體均為各向同性均質的理想彈塑性體，符合Mohr-Coulomb屈服準則，各土層間均勻、水平層狀分布，場地無起伏；

②由于工程實際情況中，施工時在基坑雙側需要先進行降水處理，使得施工區域內地下水位一直維持在坑底設計標高之下，所以假定模擬時忽略地下水位的影響；

③土體符合摩爾庫倫模型，基坑圍護結構及內支撐體系等均為彈性體。

建立的三維模型如圖2所示。

圖2 三維模型示意圖

圖3 懸吊保護體系模型

三維有限元模型尺寸為150m×130m×50m，基坑尺寸為 30.8m×38m，采用板殼單元模擬基坑圍護結構及供水管道，采用梁單元模擬混凝土支撐及鋼支撐，土體單元采用混合網格生成器生成，模型共83963個單元，43408個節點。模型中土體采用摩爾庫倫模型，圍護結構及內支撐體系、懸吊體系等均采用彈性模型。

圖4 圍護結構水平變形云圖

圖5 地連墻水平位移隨開挖深度變化曲線

3.2 圍護結構變形分析

基坑開挖及管線懸吊結構施工完后，得到基坑圍護結構的水平位移云圖，如圖4所示。

圖4位移云圖直觀顯示了基坑開挖在空間效應下的變形規律，可以看出，整個圍護結構變形呈“內凹”型，呈中間大兩頭小的趨勢，圍護結構的角部由于坑角效應的存在，其剛度遠大于其他部位，從而導致角部地連墻的變形較小。水平位移最大值位于MJS工法施工區域，這是由于該部位沒有施工鋼支撐，致使其變形較大。圖5是地連墻水平位移深開挖深度的變化曲線，圖中可以看到隨著土體開挖和內支撐架設等工況的實施，地連墻水平位移深度增大先增加后減小，且最大水平位移的埋深位置隨開挖深度的增加而增加。，最大水平位移的位置也隨開挖深度的增加而下移，開挖到底部時，最大水平位置穩定在埋深18 m處，最大值約為6 mm。

3.3 坑底隆起分析

圖6 坑底土體隆起位移曲線圖

由上圖可知，坑底隆起最大值位于基坑中心，坑壁兩側土體的隆起值較小，主要是因為受到地連墻等圍護結構的影響，距地連墻較遠處的隆起位移越大，因此，圖中基坑隆起曲線出現“中間高，兩邊低”的現象，且在模擬的理想狀態下，隆起曲線基本與基坑中心線對稱。并且隨著基坑開挖，坑底隆起值不斷增加，第一次開挖由于開挖量較少，土體發生了2 mm的沉降，隨著開挖深度增加，隆起值越來越大，開挖至坑底時，基坑隆起最大值為43 mm。

圖7 管線豎向位移云圖

3.4 供水管線位移分析

由于第一次開挖和第二次開挖由于沒有施工懸吊支護體系，管道均發生沉降，第二次開挖至管道下方0.5 m處施工懸吊體系，施工懸吊支護體系后，由于坑底隆起導致的格構柱上移，力經過格構柱傳到混凝土梁，再經過拉桿、懸吊橫梁傳給供水管道，會導致管線向上隆起，隨著開挖深度增加，坑底隆起越大，管道向上彎曲幅度越大，開挖至基坑坑底時，管道豎向位移達到最大值13 mm。由于DN1400管道所受重力小于DN1800管道，故豎向位移最大值位于DN1400管道中部。

4 結論

本文通過對永方路節點基坑開挖時管線懸吊保護施工過程進行三維數值計算，分析基坑開挖過程中基坑圍護結構和管線的變形規律，得出以下結論。

①圍護結構水平變形呈“內凹”型，變形最大值為6 mm，位于墻體埋深20 m位置處，坑角部分由于其剛度較大導致變形較小。地連墻水平位移深度增大先增加后減小，且最大水平位移的埋深位置隨開挖深度的增加而增加，坑底土體隆起值隨基坑開挖深度增加而增大。

②坑底隆起會導致格構柱向上位移，力經由格構柱、混凝土支撐、拉桿、鋼橫梁傳遞至供水管線，導致管線向上變形。由于DN1400所受重力較小，管線位移最大值位于其中部，其變形曲線近似呈拋物線。