软土地基基坑开挖对邻近大直径钢管的影响分析

孟 胜 宏

(上海隧道工程有限公司，上海 200232)

作为浙江沿海某城市，该地区属温黄平原，场地表部主要由海积的黏土组成，下部为巨厚的淤泥质土，地基承载力及压缩模量低，工程性质极差，为典型的软土地基。基坑围护变形控制难度大，成本高，对基坑周边的管线影响尤为显著。

地下管线在围护施工引起的土体变形作用下主要破坏模式有两种情况：一是整体性连续管道，如焊接钢管和PE实壁管，其管段在附加拉力作用下出现裂缝，甚至发生破坏而丧失工作能力；二是非整体性分段管道，由接口连接而成，其管段完好，但管段接头转角过大或拉脱，接头不能保持封闭状态而发生泄漏[1]。

本文以该市某地下综合管廊工程条形基坑为背景，运用有限元软件MIDAS GTS/NX建立各工况分析模型，通过分析管线的变形情况，评估基坑对邻近管线的影响。通过本次分析，为软土地区相似工程的管线评估提供借鉴和参考。

1 工程概况

该地下综合管廊工程呈长条状，总长度约12.3 km，开挖宽度为12.15 m，基坑开挖深度为7.3 m～12 m。管廊沿该市某快速路南侧道路边布置，DN1 200输水管位于管廊南侧，大体走向基本与管廊平行。DN1 200输水管为原水干管，为压力管，管径DN1 200，采用开挖敷设和牵引施工。牵引段管道埋深约9 m，开挖段管道埋深约2.2 m。输水管设计管材采用12 mm厚(牵引段管材壁厚16 mm)Q235B钢管，标准段管中心与管廊外壁最近约3 m，最远距离约12 m。

2 地质概况

1)地形地貌。根据该地下综合管廊工程地勘(详勘)，管廊线路途经地区属温黄平原，沿线均为滨海平原区。地势开阔平坦，地面高程一般在2.0 m～3.5 m，地表水系纵横交错。表部主要由海积的黏土组成，下部为巨厚的淤泥质土。现状多为道路、农田(荒地)、民宅、河道等。

2)地基土层的分布与特征。本文节点位置勘探揭示土层自上而下分别为：

3 有限元模型建立

3.1 计算方法

为了分析基坑开挖对基坑南侧水管线的影响，本次数值模拟采用有限元软件MIDAS GTS/NX进行。数值模拟是对岩土体在受力状态下的近似模拟计算，通常为方便计算的进行，对复杂的真实岩土体条件进行适当简化，省略掉对实际工程影响小的因素，因此，本次数值模拟对物理力学性质相近的土体进行了归并。地层物理参数见表1。

表1 地层物理参数

综合管廊埋深较深，基础位于②1b淤泥质粉质黏土层。设计地面高出现状地面约2 m(见图1)。

3.2 建模原则

本次数值模拟的模型按如下原则建立：

1)内支撑、换撑结构均采用梁单元模拟。2)支护桩通过等效刚度原则采用板单元进行模拟。3)坑内水泥土搅拌桩土体加固采用单元属性修改实现。4)施工影响采用表面均布荷载进行模拟。5)水管采用环状连续植入式桁架单元进行模拟。6)基坑内外土体均采用实体单元进行模拟。为了分析基坑开挖过程的影响，在网格划分过程中，对基坑开挖部分、水管管壁进行了网格加密。该模型尺寸为长×宽=80 m×40 m。

3.3 计算模型及工况

根据本工程特点，管廊工程基坑及管廊南侧供水管线长度较长，基坑宽度12.15 m，基坑宽度均远小于基坑长度，因此基坑开挖对管线的影响可近似简化为断面方向的二维平面问题，根据本项目基坑支护结构的类型及管线远近深浅不同，归纳分为3类不同的支护形式，3类管线距离，2类管道埋深，共分析14个模型(见表2)。

表2 模型工况统计表

4 有限元模型计算及结果

4.1 1-1a断面计算

1-1断面模参考实际施工顺序，主要模拟10个施工步(见表3)。

表3 基坑开挖模拟施工步一览表

由图2～图5可知，基坑周边土体的水平位移基本向坑内变化，在第二支撑位置变形最大，坑底被动区加固土体以下围护桩向基坑内部移动。竖向位移在两侧3倍坑深范围内地表沉降明显，坑内土体明显上移。

综上，该断面计算结果反映出软土地基基坑的典型位移情况，围护设计时需谨防坑底土体随围护墙踢脚向坑内移动，围护桩外倾，产生隆起破坏。

通过表4，表5可知，管道基本随其周边土体共同变形。

表4 1-1a模型管道位移变形一览表

表5 1-1b模型管道位移变形一览表

4.2 计算结果统计

根据1-1a模型及其他模型计算可知，基坑变形及管道最大变形协调统一，且均发生在拆除支撑工况。对各工况计算结果进行统计，如表6所示。

表6 各模型管道位移一览表

4.3 有限元计算结果分析

1)输水管水平位移分析。

根据工程实际工况进行了数据模拟，对各围护外输水管不同深度、不同距离、不同埋深的水平位移进行统计(见图6)，可得出以下结论：

a.管道埋深越深，离基坑距离越远，水平位移越小。

b.管道位于坑深范围内，围护刚度越大，水平支撑数量越多，其水平位移越小。

c.管道位于基坑底以下，钢板桩围护时水平位移受距离影响不大，灌注桩围护时管道离基坑距离越大水平位移越小；水平支撑数量越多，其水平位移越小。

2)输水管竖向位移分析。

输水管竖向位移较为规律(见图7)，可得出以下结论：

a.管道埋深越深，离基坑距离越远，竖向位移越小。

b.管道位于坑深范围内，竖向变形以下沉为主，管道离基坑距离越远，竖向变形越小；围护刚度越大，竖向变形越小。

c.管道位于坑底以下，竖向变形以上浮为主，管道离基坑距离越远，竖向变形越小。

3)输水管总体位移分析。

输水管总体位移较为规律(见图8)，可得出以下结论：

a.管道位于坑深范围内，埋深越深，管道总体位移越小；围护刚度越大，总体位移越小，且均随离基坑距离增大而减小。

b.管道位于基坑底以下，管道总体位移受围护刚度影响不大；离基坑距离越大总体位移越小。

5 结论

1)管道埋深越深总体位移越小，离基坑围护距离越大变形越小。

2)管道在坑底以下的总体位移小于其位于基坑深度范围内的总体位移。

3)围护结构的刚度、水平支撑数量与管道总体位移成反比。

4)不同围护结构间管道将有位移差，是造成管道破坏的关键节点；同时软土地基钢板桩拔除土体扰动大，需考虑必要措施以满足管道的变形允许值。

5)本文仅限于管道位移的研究，《给水排水工程埋地钢管管道结构设计规程》[2]焊接钢管应以应力控制，其计算难度大，变形控制标准将简化管线安全监控，其标准有待进一步研究。