深基坑开挖对邻近大直径管线影响的优化分析

徐宏增，石 磊，王振平，杨开放，徐长节,3*

(1.宏润建设集团股份有限公司，上海 200235；2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，杭州 310058；3.华东交通大学, 江西省岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌 330013)

随着城市化进程的快速发展，在既有管线相邻的工程日益增多，尤其是以深基坑工程的影响最为严重。如今城市大力发展市政管廊工程，但国内缺少市政管廊基坑工程的开挖对近邻建(构)筑物的影响研究。由于基坑开挖导致坑内外产生水土压力差，造成坑外土体向坑内移动，管线随土体位移而发生变形，较大变形会引起管线的破坏及泄露[1-4]。

关于基坑开挖引起邻近管线位移的影响分析需要考虑管线、土体以及基坑之间的相互作用，通过归纳总结前人研究成果可以分为两类：一类是运用有限元数值模拟的方法，用开挖等效荷载来模拟基坑已卸荷土体所释放的应力。李大勇等[5-7]用开挖等效荷载模拟被卸荷的土体与剩余土体之间的关系，通过改变敏感性参数总结基坑开挖引起管线的位移变化规律；杜金龙等[8]运用有限元软件分析不同的管径对管与土之间接触面的影响，得出关于管线的曲率、转角、最大应力和弯矩发生的位置。另一类研究成果则是采用位移控制分析方法，不考虑基坑开挖的过程，通过将基坑开挖引起坑周土体的自由位移场作为控制条件，以分析基坑开挖引起管线的位移变化。张陈蓉等[9-10]采用位移控制两阶段简化理论分析与位移控制有限元法，验证了简化方法的合理性，同时提出了关于保护管线的控制标准。

以上研究中，上述有限元数值模拟方法不能考虑管与土的相互作用，并不符合实际；位移两阶段分析方法没有考虑基坑内土体卸荷的情况，无法反映真实的开挖工况。为此，采用有限元软件PLAXIS建立三维数值模型，考虑基坑内土体开挖的工况以及管线与土之间相互作用，分析基坑不同的围护结构形式对管线的位移影响，归纳总结基坑开挖引起大直径管线的位移规律，为基坑工程提供优化的监测方案。

1 案例分析

1.1 工程概况

杭州市钱江新城沿江大道综合管廊基坑呈长条形状，开挖总长度为3 600.0 m，开挖宽度为10.3～10.7 m，基坑开挖深度为5.0～16.0 m。沿基坑长度方向有需要保护的大直径污水管线，基坑坑边与污水管线水平距离相距4.0 m，本段污水管线由2根型号D2400的预应力钢筒混凝土管组成，污水管管径为 2.4 m。由于基坑沿长度方向开挖，由于基坑周边存在复杂的开挖环境，选取3种典型的基坑围护结构方案：钻孔灌注桩加内支撑、新型水泥土搅拌桩墙(soil mixing wall, SMW)工法桩加内支撑和地下连续墙加内支撑。基坑地下连续墙围护结构的剖面如图1所示。

①1～4为层号

1.2 有限元模型

1.2.1 模型尺寸及边界条件

结合管廊基坑工程具有狭长性特点，运用有限元软件PLAXIS建立基坑开挖的三维数值模型。考虑到模型尺寸的边界效应，模型的水平和竖直方向取基坑开挖深度的3倍，有限元模型的尺寸40.0 m×110.0 m×60.0 m(即x、y、z方向)，基坑开挖面是10.7 m×15.0 m，土体物理力学指标如表1所示。关于基坑模型的边界条件，对模型底面位置的3个方向进行全部约束，四个侧面进行法向约束，模型上部为自由面[11-14]，模型网格如图2所示。

图2 模型网格划分图

表1 土体物理力学指标

1.2.2 模型围护结构形式

基坑采用三种内支撑式围护结构，分别是Φ800 mm 钻孔灌注桩、Φ1 000 mm钻孔灌注桩和800 mm厚地下连续墙。围护结构桩与墙的插入比为1∶1.5，在基坑内设置4道支撑梁，其中第一道为钢筋混凝土支撑，其余三道为钢支撑。基坑外有两条大直径污水DN2400，靠近基坑一侧的管线与基坑相距4 m，污水管线的直径为2.4 m，管线中轴埋深为6.8 m，两条管线相距4 m，管线材料为钢筒预应力管，基坑模型剖面简图如图3所示。

图3 基坑模型剖面简图

1.3 模型验证分析

如图4所示，通过将有限元模型深层土体水平位移的计算值与工程实测值对比分析，发现坑周土体的深层水平位移变化趋势基本一致。地表土体产生的主动土压力较小，土体位移变化不明显；随着土体深度的增加，主动土压力使坑外土体产生向坑内变化的趋势，并且土体深层水平位移最大值均发生在基坑坑底附近，有限元计算值为8.2 mm，而工程实测值为8.8 mm。

图4 深层土体水平位移

管线变形模式如图5所示，由于数值模型中管线接口是刚性连接，所以沿基坑方向的管线呈现出中间位移大，两端位移小的特点。靠近基坑的管线位移实测值为8.5 mm，模型计算结果中管线最大位移为8.3 mm，实测值与模拟值基本一致。

图5 靠近基坑一侧管线位移图

2 基坑开挖对管线位移的时空效应

2.1 时间效应

如图6所示，管廊基坑的开挖对近邻大直径污水管线存在时间效应(即与开挖深度之间的规律，基坑开挖的进度与工程时间相对应)。近邻管线不仅产生水平方向的位移，而且基坑开挖会引起竖向位移：①管线的水平位移随基坑开挖深度的增加逐渐向坑内移动，并且靠近基坑侧的管线位移大于远离基坑的管线；当基坑开挖深度位于管线埋设深度附近时，管线向坑内的水平位移变缓，并且靠近基坑的管线水平位移有轻微远离基坑的现象；当基坑开挖深度大于管线埋设深度时，管线水平位移增长速率较大。②在基坑开挖初期(当基坑开挖深度小于管线的埋设深度时)，由于两条大直径管线有向坑内运动的趋势，管线因此会产生向上的隆起位移；当基坑开挖深度在管线埋设深度的附近时，隆起位移达到最大值；当开挖深度大于埋设深度时，管线因向坑内运动而产生竖向沉降位移，基坑开挖至坑底时，管线沉降达到最大值。

图6 管线位移随基坑开挖深度变化

结合图6和表2可知，同一围护结构形式下靠近基坑的管线位移大于远离基坑的管线位移，且两条管线之间的水平位移差距较大。当围护结构采用直径为800 mm的钻孔灌注桩时，两条管线的水平位移差距达到23.65%；管线受深层土体位移的影响，两条管线几乎同时产生竖向的位移，但竖向位移差距只有10.91%。

表2 不同围护结构下远近管线的位移

当采用不同形式的围护结构，提高围护结构的刚度可以有效地限制管线位移增大的趋势。当采用800 mm的地下连续墙时，管线的水平和竖向位移都得到了控制，并且水平位移差和竖向位移差均减小至15.38%和2.97%。此外，针对基坑开挖引起近邻管线位移的监测问题，由于两条管线的水平位移差距较大，所以应分别监测水平位移；然而两条管线的竖向位移差距较小，变化幅度一致，可监测靠近基坑一侧的管线竖向位移。

2.2 空间效应

不同围护结构形式下的基坑开挖引起管线位移的变化存在明显的空间规律。如图7、图8所示，基坑工程的侧边有两条相邻的大直径污水管线，无论是距离基坑较近的管线，还是距离基坑较远的管线，两条管线都呈现出基坑中心位移大而两端位移较小的特点。管线的最大水平向位移达到5.0 mm，竖向位移达到6.5 mm。这是因为管线受基坑开挖的影响，基坑内土体卸荷改变了坑周土体的位移场，从而影响近邻管线位移的增长；而基坑两端的管线受土体的约束作用，没有产生明显的位移。由于基坑开挖对周围土体有一定的影响范围，并且靠近基坑的土体所受影响最大，导致靠近基坑侧的管线位移增长速率大于远离基坑的管线。

图7 近管位移变化

图8 远管位移变化

由表2可知，当基坑在不同围护结构形式下进行土体卸荷时，提高围护结构的刚度可以有效地限制管线的位移增长。当采用800 mm地下连续墙时，减小管线位移变化的趋势最为明显，近侧管线的水平位移从5.0 mm减小到3.9 mm，减小接近22.0%；近侧管线的竖向位移从6.5 mm减小到 5.1 mm，减小接近21.5%。无论是水平还是竖向位移，减小量均在20%以上。增大围护结构刚度可以约束整个基坑工程的变形，坑周土体深层位移减小，导致管线水平与竖向的位移减小。

根据《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2009)8.0.5条相关规定[15]，考虑目前管线及建筑物原有变形的影响，基坑周边管道及建(构)筑物监测报警值按表3控制，通过对比得出该监测点沉降未达到报警值，在安全范围内。

表3 管道及建筑物监测报警值

3 结论

(1)管线因相邻基坑的开挖存在时空效应，基坑中心处的管线位移大于基坑两端的管线位移，且基坑开挖深度与管线埋设深度之间存在3种不同的位置关系，当基坑开挖至坑底时，管线的水平及竖向位移达到最大值。

(2)同一围护结构形式下，近邻基坑的两条污水管线水平位移差距大于竖向位移差距，基坑施工中，应将两条管线的水平位移分别进行监测，竖向位移可监测靠近基坑的管线位移。

(3)不同围护结构形式下，提高基坑围护结构的刚度，不仅可以限制近邻管线水平与竖向位移，还可以有效减小两条管线的水平和竖向位移差距。