深基坑開挖對周圍管線變形的影響研究

李 杰

(中鐵十八局集團 北京工程有限公司，北京 100162 )

目前，已有許多學者針對基坑開挖展開研究。姜崢[1]針對基坑開挖對鄰近管線變形進行了理論計算推導。姚燕明等[2]根據殘余應力法原理和分層回彈總和法計算了基坑開挖對管線變形的變形影響。馬銀閣等[3]采用MIDAS 軟件針對深基坑開挖進行了數值模擬研究。吳崢[4]以杭州市污水管段工程為背景，采用ABAQUS 軟件進行數值模擬，建立了三維有限元模型，研究了基坑開挖對下臥管線的不利影響。郜新軍等[5]為了研究基坑開挖對鄰近地下管線的變形影響，建立三維實體數值模型分析了變化規律。蔡浩明[6]采用PLAXIS 3D有限元軟件對富水地層的深基坑降水施工對周圍管線的影響建立數值模型，并實測數據進行對比驗證模型的合理性。王立峰等[7]收集多個實際地鐵施工案例的實測數據從統計學的角度分析了基坑開挖對周邊管線的影響。以上研究表明，較多的研究集中在理論推導和數值建模分析上，理論推導和數值建模都進行了相應的簡化，雖然具有一定的指導意義，但是準確性仍需進一步檢驗。本研究基于實際基坑開挖項目對周邊管線進行了豎向變形監測，分析了不同周邊管線的沉降變化規律，為類似深基坑開挖項目提供指導。

1 項目概況

工程周邊為市政路，北側為河流。場區內地形有一定起伏，西北較高，東南較低，自然地面標高為21.21～23.80 m，基坑設計標高按照整平后的地面標高23.00～23.50 m考慮。工程深基坑平均深度為16.19 m，局部開挖深度達23.09 m。該深基坑支護體系作為臨時支護的設計使用期限為12個月；基坑安全等級設定一級，重要性系數為γ0=1.1，其支護體系設計形式為“上部2.0 m擋土墻+護坡樁+預應力錨桿”。護坡樁的設計長度范圍為21～25 m，把3～5道預應力錨桿布置設計在護坡樁之間。

2 深基坑四周管線沉降監測

為了研究基坑開挖對周邊管線的變形影響，對周邊管線進行實時監測，其總體監測點布置和局部放大區域如圖1所示，其中，分析監測點的布置在第3部分中給出。

圖1 監測點布置及局部放大圖

2.1 設置監測點

通過鉆具成孔的方式設置監測點，詳細步驟為：(1)開挖深度不小于3 m、半徑約為40 mm的孔洞；(2)將孔洞的底部夯實；(3)清理廢渣土，同時向孔洞內注入適量水進行養護；(4)灌入標號大于等于C20的混凝土，并震動使之密實，并且使混凝土頂面距地表保持在5 cm左右；(5)在孔中心置入長度大于等于80 cm的鋼筋標志，露出混凝土面1～2 cm；(6)上部加裝鋼制保護蓋；(7)甚少養護半個月時間。如圖2所示。

圖2 地表觀監測點埋設形式圖(mm)

2.2 監測方法及數據采集

采用幾何水準測量方法進行沉降監測，借助TrimbleDINI03電子水準儀進行觀測，另外通過該儀器自帶記錄程序對監測數據進行詳細記錄。根據《工程測量規范》(GB50026-2007)[8]，通過二等豎向位移監測網技術手段進行全面地詳細觀測，詳細技術指標和細則詳見該《規范》中的表10.3.3。

表1 LogNormal 參數擬合結果

3 相關監測結果及技術分析

首先將所監測的數據進行整合，出現明顯監測錯誤的監測點不用于分析，如G5監測點，如圖3所示。同時鑒于篇幅有限，只分析兩個方向(基坑的西側和南側)的監測點，總共有14個監測點，其中位于基坑南側的監測點有8個，分別是G3、G4、G6、G7、G8、G9、G11和G10；位于基坑西側的監測點有6個，分別為G14、G15、G16、G17、G20和G21。對于基坑南側的監測點，其開挖深度如圖4所示，周圍管線離基坑距離依次變遠且東西分布的分別有燃氣管線(G6、G9和G10)和直徑1 m的污水管線(G3、G7、G8和G11)，其中，G4屬于更遠處的南北分布的燃氣管線的一個監測點。對于基坑西側的監測點，其開挖深度如圖5所示，周圍管線離基坑距離依次變遠且南北分布的分別有2. 6 m×2.9 m的電力管溝(G15和G17)、燃氣管線(G14和G16)、直徑1 m的雨水管線(G21)和直徑1.4 m的雨水管線(G21)。

圖3 G5監測點不同時間下的高程值

圖6 基坑西側開挖深度

3.1 各監測點沉降分析

根據14個監測點隨時間的沉降變化，分析各監測點的沉降變化差異。圖5可見，在基坑開挖的前段時間，各監測點的累計沉降量是逐漸增加的，只是沉降量值的大小不同。當開挖1個月左右時，各監測點的累計沉降量出現波動，之后的10 d左右時間內，大部分監測點出現累計沉降量減小的趨勢，說明此時周邊管線處有凸起的情況，很有可能是由于開挖到一定深度，預應力錨桿等支護措施使地基土受到擠壓造成的，這種情況對周邊管線是有利的。在此之后，除個別監測點的累計沉降量出現增加或減小的情況，大部分監測點的累計沉降量呈現一定的增加并幾乎趨于穩定。在所有監測點中，位于基坑西側燃氣管道處的G16監測點的累計沉降量最大，位于基坑南側直徑1 m的污水管線處的G11監測點的累計沉降量最小。

其次，從圖7可見，當各監測點累計沉降量處于平穩緩慢波動時，5個黑色虛線框內各監測點的變化趨勢分別類似，其中細節分析見下文。

圖7 相關監測點的累計沉降量

3.2 同一管線的沉降變化

直徑為1 m的污水管線和燃氣管線上的監測點累計沉降量如圖8所示。圖8(a)中，兩條管線都是中間位置沉降量大，兩側沉降量小。圖8(b)中，兩條周邊管線的兩個監測點累計沉降量大的均離中軸線更近，也說明了中間位置沉降量大，兩側沉降量小的規律。直徑為1 m的污水管線上的G3監測點位于管線一側，但是該監測點的累計沉降量較大，幾乎接近中間位置監測點的沉降量，這對于管線是十分不利的。出現這種情況的主要原因可能是G3監測點相較于其他監測點離基坑更近造成的。燃氣管線的3個監測點大約位于中軸線的一側，G6監測點離中軸線最近，但是G6監測點的沉降量比G9監測點小，主要是G6監測點處基坑的開挖深度12.82 m，而其他兩個監測點處的基坑開挖深度是7.72 m，充分說明開挖深度的大小對周邊管線具有較大影響。因此，在進行深基坑作業時，特別是較近處存在周邊管線時，要對中間部位進行加固處理，比如采用注漿加固、微型樁法及注漿法與微型樁法相結合等方法。此外，在同一工作面存在不同開挖深度時，也應進行加固處理，如果處理不當，會造成由于地基土釋放不同的應力而出現較大應力失衡，使周邊管線出現不規則沉降，導致較大的工程事故或經濟損失。

圖8 同一管線沉降變化圖

3.3 距離對管線沉降的影響

基坑南側和西側的監測點累計沉降數據如圖9所示。從圖9(a)可以看出，G4監測點具有最小的累計沉降量，主要是因為G4監測點沒有位于周邊管線處，而是比基坑南側研究中最遠管線(直徑為1 m的污水管線)還要多出一定距離，這是十分合理的現象。同時還可以看出，G7和G8監測點(兩個監測點均位于直徑為1 m的污水管線)的累計沉降量分別大于G6和G9監測點(兩個監測點均位于燃氣管線)，然而G6和G9監測點分別比G7和G8離基坑的距離更近，這看起來有悖常識。但是出現這種情況也是可解釋的，首先G7和G8監測點與G6和G9監測點之間存在一條2.8 m×2.0 m的雨水管溝，該管溝十分靠近G7和G8監測點所在的直徑為1 m的污水管線，使這兩條管線可能出現了耦合沉降變形。其次，在基坑開挖適合擬采用了“上部2.0 m擋土墻+護坡樁+預應力錨桿”的支護體系，由于預應力的存在抑制了距基坑較近管線的沉降趨勢，說明當有周邊管線必然與基坑具有較近距離時可以通過施加預應力錨桿的方式解決沉降量大的問題。最后，可能因為相較于燃氣管線，污水管線和雨水管溝都較重，施工導致附近出現擾動時，與質量輕的管線相比，質量大的管線會有較大的響應，從而導致沉降量較大。

圖9 管線隨距離的沉降變化圖

從圖9(b)可以看出，G14和G16監測點(兩個監測點位于燃氣管道)的累計乘降量分別大于G15和G17監測點(兩個監測點位于2.6 m×2.9 m的電力2管溝)，進一步說明了“上部2.0 m擋土墻+護坡樁+預應力錨桿”支護體系對距離基坑較近的周邊管線沉降具有較強的抑制作用。然而，監測點21(位于直徑為1 m的雨水管線)的累計沉降量大于監測點20(直徑為1.4 m的管線)并且兩個監測點均和基坑具有相對較遠的距離，同時相較于監測點21，監測點20與基坑具有更遠的距離，這是最普遍的情形。

3.4 沉降量依時變化

為了將監測點沉降量隨時間的變化進行公式顯式化，針對實測數據，嘗試多種擬合方式進行擬合，研究結果發現，LogNormal擬合最為符合沉降量走勢，除個別特殊情況(累積沉降量出現較大減小)外，其擬合的確定系數R2均大于0.96，具有很高的精度，LogNormal擬合函數的數學表達式如式(1)所示。從公式本身來看，LogNormal擬合函數最終會收斂成一個定值，這與周邊管線沉降在基坑開挖完畢后會趨于穩定的規律是吻合的，說明了該函數在進行擬合周邊管線隨時間的沉降變化具有很高的預測精度的原因。

(1)

鑒于篇幅有限，僅列舉了4個監測點的繪圖和擬合結果，其中，實測值和LogNormal 擬合值對比圖如圖10所示，參數擬合結果如表1所示。從圖10可以看出，實測值和LogNormal擬合值具有很好的吻合度，其最終的沉降變量趨于穩定。從表1可以看出，不同監測點的LogNormal 參數擬合結果中，xc幾乎相等并且w也很相近近乎為0。在調整擬合結果的參數中，不同監測點的參數s0和A是不同的，其中參數A值的變化范圍明顯較大，并且遠大于參數s0(值自身及變化量均較小)，說明參數A調整程度要大于參數s0。在后續研究中，測試不同工況下的沉降變化，著重分析參數A和參數s0的變化規律，對于周邊管線沉降變化的公式化具有重要意義。

圖10 實測值和LogNormal 擬合值對比圖

4 結語

(1)當基坑開挖到1個月左右時，大部分監測點的累計沉降量出現減小趨勢，說明此時周邊管線處有凸起的情況，很有可能是由于采用預應力錨桿等支護措施使地基土受到擠壓造成的，這種情況對周邊管線是有利的。(2)通常同一管線都是越靠近中軸線的監測點沉降量越大，離中軸線越遠沉降量越小；但是由于同一工作面存在不同開挖深度及同一管線與基坑具有不同距離時，極易造成周邊管線的不規則沉降，應采用相應的加固措施，如注漿加固、微型樁法及注漿法與微型樁法相結合等方法。(3)普遍情況下，距離基坑越遠的管線具有較小的沉降量，但是當兩條或多條管線十分靠近時會出現異常的耦合沉降變形；當支護體系中存在預應力錨桿時，由于預應力的存在可以抑制距基坑較近管線的沉降趨勢。(4)利用多種擬合方式對監測點沉降量隨時間的變化進行擬合，發現LogNormal擬合最為符合沉降量走勢，其擬合的確定系數R2均大于0.96，具有很高的精度。