軟土地基基坑開挖對鄰近大直徑鋼管的影響分析

孟 勝 宏

(上海隧道工程有限公司，上海 200232)

作為浙江沿海某城市，該地區(qū)屬溫黃平原，場地表部主要由海積的黏土組成，下部為巨厚的淤泥質(zhì)土，地基承載力及壓縮模量低，工程性質(zhì)極差，為典型的軟土地基。基坑圍護變形控制難度大，成本高，對基坑周邊的管線影響尤為顯著。

地下管線在圍護施工引起的土體變形作用下主要破壞模式有兩種情況：一是整體性連續(xù)管道，如焊接鋼管和PE實壁管，其管段在附加拉力作用下出現(xiàn)裂縫，甚至發(fā)生破壞而喪失工作能力；二是非整體性分段管道，由接口連接而成，其管段完好，但管段接頭轉(zhuǎn)角過大或拉脫，接頭不能保持封閉狀態(tài)而發(fā)生泄漏[1]。

本文以該市某地下綜合管廊工程條形基坑為背景，運用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立各工況分析模型，通過分析管線的變形情況，評估基坑對鄰近管線的影響。通過本次分析，為軟土地區(qū)相似工程的管線評估提供借鑒和參考。

1 工程概況

該地下綜合管廊工程呈長條狀，總長度約12.3 km，開挖寬度為12.15 m，基坑開挖深度為7.3 m～12 m。管廊沿該市某快速路南側(cè)道路邊布置，DN1 200輸水管位于管廊南側(cè)，大體走向基本與管廊平行。DN1 200輸水管為原水干管，為壓力管，管徑DN1 200，采用開挖敷設(shè)和牽引施工。牽引段管道埋深約9 m，開挖段管道埋深約2.2 m。輸水管設(shè)計管材采用12 mm厚(牽引段管材壁厚16 mm)Q235B鋼管，標(biāo)準(zhǔn)段管中心與管廊外壁最近約3 m，最遠距離約12 m。

2 地質(zhì)概況

1)地形地貌。根據(jù)該地下綜合管廊工程地勘(詳勘)，管廊線路途經(jīng)地區(qū)屬溫黃平原，沿線均為濱海平原區(qū)。地勢開闊平坦，地面高程一般在2.0 m～3.5 m，地表水系縱橫交錯。表部主要由海積的黏土組成，下部為巨厚的淤泥質(zhì)土。現(xiàn)狀多為道路、農(nóng)田(荒地)、民宅、河道等。

2)地基土層的分布與特征。本文節(jié)點位置勘探揭示土層自上而下分別為：

3 有限元模型建立

3.1 計算方法

為了分析基坑開挖對基坑南側(cè)水管線的影響，本次數(shù)值模擬采用有限元軟件MIDAS GTS/NX進行。數(shù)值模擬是對巖土體在受力狀態(tài)下的近似模擬計算，通常為方便計算的進行，對復(fù)雜的真實巖土體條件進行適當(dāng)簡化，省略掉對實際工程影響小的因素，因此，本次數(shù)值模擬對物理力學(xué)性質(zhì)相近的土體進行了歸并。地層物理參數(shù)見表1。

表1 地層物理參數(shù)

綜合管廊埋深較深，基礎(chǔ)位于②1b淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。設(shè)計地面高出現(xiàn)狀地面約2 m(見圖1)。

3.2 建模原則

本次數(shù)值模擬的模型按如下原則建立：

1)內(nèi)支撐、換撐結(jié)構(gòu)均采用梁單元模擬。2)支護樁通過等效剛度原則采用板單元進行模擬。3)坑內(nèi)水泥土攪拌樁土體加固采用單元屬性修改實現(xiàn)。4)施工影響采用表面均布荷載進行模擬。5)水管采用環(huán)狀連續(xù)植入式桁架單元進行模擬。6)基坑內(nèi)外土體均采用實體單元進行模擬。為了分析基坑開挖過程的影響，在網(wǎng)格劃分過程中，對基坑開挖部分、水管管壁進行了網(wǎng)格加密。該模型尺寸為長×寬=80 m×40 m。

3.3 計算模型及工況

根據(jù)本工程特點，管廊工程基坑及管廊南側(cè)供水管線長度較長，基坑寬度12.15 m，基坑寬度均遠小于基坑長度，因此基坑開挖對管線的影響可近似簡化為斷面方向的二維平面問題，根據(jù)本項目基坑支護結(jié)構(gòu)的類型及管線遠近深淺不同，歸納分為3類不同的支護形式，3類管線距離，2類管道埋深，共分析14個模型(見表2)。

表2 模型工況統(tǒng)計表

4 有限元模型計算及結(jié)果

4.1 1-1a斷面計算

1-1斷面模參考實際施工順序，主要模擬10個施工步(見表3)。

表3 基坑開挖模擬施工步一覽表

由圖2～圖5可知，基坑周邊土體的水平位移基本向坑內(nèi)變化，在第二支撐位置變形最大，坑底被動區(qū)加固土體以下圍護樁向基坑內(nèi)部移動。豎向位移在兩側(cè)3倍坑深范圍內(nèi)地表沉降明顯，坑內(nèi)土體明顯上移。

綜上，該斷面計算結(jié)果反映出軟土地基基坑的典型位移情況，圍護設(shè)計時需謹防坑底土體隨圍護墻踢腳向坑內(nèi)移動，圍護樁外傾，產(chǎn)生隆起破壞。

通過表4，表5可知，管道基本隨其周邊土體共同變形。

表4 1-1a模型管道位移變形一覽表

表5 1-1b模型管道位移變形一覽表

4.2 計算結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)1-1a模型及其他模型計算可知，基坑變形及管道最大變形協(xié)調(diào)統(tǒng)一，且均發(fā)生在拆除支撐工況。對各工況計算結(jié)果進行統(tǒng)計，如表6所示。

表6 各模型管道位移一覽表

4.3 有限元計算結(jié)果分析

1)輸水管水平位移分析。

根據(jù)工程實際工況進行了數(shù)據(jù)模擬，對各圍護外輸水管不同深度、不同距離、不同埋深的水平位移進行統(tǒng)計(見圖6)，可得出以下結(jié)論：

a.管道埋深越深，離基坑距離越遠，水平位移越小。

b.管道位于坑深范圍內(nèi)，圍護剛度越大，水平支撐數(shù)量越多，其水平位移越小。

c.管道位于基坑底以下，鋼板樁圍護時水平位移受距離影響不大，灌注樁圍護時管道離基坑距離越大水平位移越小；水平支撐數(shù)量越多，其水平位移越小。

2)輸水管豎向位移分析。

輸水管豎向位移較為規(guī)律(見圖7)，可得出以下結(jié)論：

a.管道埋深越深，離基坑距離越遠，豎向位移越小。

b.管道位于坑深范圍內(nèi)，豎向變形以下沉為主，管道離基坑距離越遠，豎向變形越小；圍護剛度越大，豎向變形越小。

c.管道位于坑底以下，豎向變形以上浮為主，管道離基坑距離越遠，豎向變形越小。

3)輸水管總體位移分析。

輸水管總體位移較為規(guī)律(見圖8)，可得出以下結(jié)論：

a.管道位于坑深范圍內(nèi)，埋深越深，管道總體位移越小；圍護剛度越大，總體位移越小，且均隨離基坑距離增大而減小。

b.管道位于基坑底以下，管道總體位移受圍護剛度影響不大；離基坑距離越大總體位移越小。

5 結(jié)論

1)管道埋深越深總體位移越小，離基坑圍護距離越大變形越小。

2)管道在坑底以下的總體位移小于其位于基坑深度范圍內(nèi)的總體位移。

3)圍護結(jié)構(gòu)的剛度、水平支撐數(shù)量與管道總體位移成反比。

4)不同圍護結(jié)構(gòu)間管道將有位移差，是造成管道破壞的關(guān)鍵節(jié)點；同時軟土地基鋼板樁拔除土體擾動大，需考慮必要措施以滿足管道的變形允許值。

5)本文僅限于管道位移的研究，《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》[2]焊接鋼管應(yīng)以應(yīng)力控制，其計算難度大，變形控制標(biāo)準(zhǔn)將簡化管線安全監(jiān)控，其標(biāo)準(zhǔn)有待進一步研究。