深基坑开挖对邻近地下管线影响研究

胡潮钢，章晖，叶武

（1.杭州市临安区青山湖建设管理有限公司，浙江 杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州 311122;3.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

高层建筑基础施工、地下交通、地下综合体、地下市政设施、地下综合管廊等工程，均需要进行基坑的开挖，且常常为深大基坑[1]。基坑开挖导致土体应力释放，失去原有应力平衡，会对周边地上、地下的建筑物的安全稳定性产生较大影响[2-4]。其中，基坑开挖导致周边地下管线的破坏的问题不容忽视。基坑开挖导致土体应力平衡被破坏，使管线应力状态发生变化，产生附件应力，同时由于管线与土体的不均匀沉降产生二次附件应力，可能会导致管线发生破裂[5]。邻近地下管线进行深基坑的设计施工时，需要深入分析开挖对管线变形的影响，确保管线的安全稳定性。

本文依托杭州临安新横路、陈市路及城市客厅工程中的邻近高档住宅小区挡土墙外地下管线的深基坑工程，采用ABAQUS数值模拟软件，建立“地上土体-地下土地-管线-基坑围护墙-围护支撑”系统模型，模拟基坑分层开挖及支护过程，分析基坑开挖及支护对邻近管线的变形影响规律，提出管线稳定性控制措施，确保把基坑开挖对管线的影响控制在合理范围内。研究对指导基坑设计和现场施工具有重要意义。

1 工程概况

新横路北起科技大道，南至102省道，全长3.50 km，包含地面道路和湖底隧道，为城市主干道。其中湖底隧道下穿青山湖湖底，为双向六车道规模，全长1575 m（图1）。隧道采用明挖顺作法施工，在隧道线路范围内存在一个高档住宅小区，小区外围挡土墙与隧道基坑间存在多条管线（图2）。基坑影响范围内荷载呈不对称状态，基坑开挖可能会导致管线产生较大变形或不均匀沉降，导致管线发生失稳或破坏，需要对管线采取严格的监测和保护措施。

图1 工程平面图

图2 基坑与地上挡土墙位置关系图

隧道采用明挖顺作法施工，隧道侧穿越住宅小区区域采用“钻孔灌注桩+止水帷幕”围护，内支撑拟采用“钢筋混凝土+钢支撑”形成。基坑整体开挖深度 2.0～15.5 m、宽度 27.1～28.4 m。基坑主要穿越素填土、淤泥质粉质粘土、粉质粘土、卵石、强风化砂岩、中风化砂岩等地层。主要土层划分及土体参数如下：

2 数值模拟

2.1 模型建立

为了研究深基坑开挖对邻近管线的影响，需要建立“地上土体-地下土地-管线-基坑围护墙-围护支撑”系统模型。基坑开挖深度取10 m，宽度取25 m，采用分步开挖方式。根据已有的有限元研究结果及工程经验，基坑深度方向受开挖影响的范围约为开挖深度的2～4倍，宽度方向的影响范围约为基坑开挖深度的3～4倍[6]。因此模型尺寸设定为：80 m×20 m×36 m（图3）。其中，长度设为80 m，高度设为36 m（其中6 m为地上部分，30 m为地下部分），宽度设为20 m。管道位于基坑靠近地上挡土墙一侧，埋深为3 m，直径取1 m，厚度取0.1 m。由于本研究侧重于基坑开挖对管线的影响，采用分区的方式赋予地上挡土墙的材料参数，而不考虑其与土体的相互作用关系。为便于模型计算，根据抗弯刚度相等的原则，将基坑“钻孔灌注+止水帷幕”简化成为等刚度的连续墙，高14 m（深入坑底以下4 m）。设置两条管线，相距2 m。采用摩尔库伦材料模型描述土体的力学和变形行为，主要模型参数见表1。模型边界条件：四个侧面均只约束法向位移，底面对三个方向位移均进行约束，顶面为自由面。

图3 土层-管线-基坑模型图

土层划分及其相关物理力学参数 表1

为研究管线不同材质对其变形特性，考虑PVC、混凝土和钢材等三种不同材质的关系。挡土墙、管线和支撑均用弹性本构模型来模拟，各部件参数如表2。

各部件参数表 表2

2.2 开挖及支护方案设置

深基坑共分为四步进行土方开挖，开挖推进10m。设置三道支撑，采用“先撑后挖”方法。分析步设置如表3。

基坑开挖及支护分析步设置 表3

3 结果分析

在管道顶端布置一条沿管道长度方向的监测线，获取基坑各步开挖后管线的垂直变形。管线1靠近基坑一侧，管线2远离基坑一侧。

3.1 混凝土管线变形

首先分析不同开挖深度下管线位移情况，图4是基坑一道支撑时分别开挖4 m、7 m和10 m时两条混凝土管线的位移曲线。图4a是管线1位移曲线，由图可以明显看到，靠近基坑开挖区域的管线沉降明显比远离开挖区域的大。以开挖4 m为例，靠近基坑开挖区域管线端部的沉降最大，为20.26 mm；远离基坑开挖区域管线端部的沉降最小，为17.50mm：沉降差为2.76 mm。随着基坑开挖深度增加，管线位移不断增加。基坑开挖10 m时，靠近基坑开挖区域管线端部的沉降为35.84 mm；远离端为32.2 mm：沉降差为 3.64 mm。图 4b是管线2位移曲线，由图可见，管线2垂直位移明显低于管线1，这是由于管线2远离基坑。可知：管线越靠近基坑，其位移受基坑开挖影响越大，施工中越应加强监测。图5是基坑两道支撑时管线（图5a-管线1；图5b-管线2）位移曲线，由图可见，当基坑增加一道支撑时，管线沉降明显减小。基坑开挖10 m时，管线1靠近基坑开挖区域管线端部的沉降为2 31.11 mm；远离端部沉降为27 mm。基管线2靠近基坑开挖区域管线端部沉降为19.51 mm；远离端为16.06 mm。图6是基坑三道支撑时管线（图6a-管线1；图6b-管线2）位移曲线，由图可见，当基坑施加时，管线沉降明显减小。

图4 基坑一道支撑时不同开挖深度下混凝土管线垂直位移：管线1（a）；管线2（b）

图5 基坑两道支撑时不同开挖深度下混凝土管线垂直位移：管线1（a）；管线2（b）

图6 基坑三道支撑时不同开挖深度下混凝土管线垂直位移：管线1（a）；管线2（b）

由以上结果可知，基坑支撑数量增加能够有效地控制土体变形，从而减小管线沉降。

3.2 钢管线变形

图7为当管线为钢管时、基坑三道支撑/开挖10m管线位移图。管线1靠近基坑外边缘位置发生最大沉降，24.3 mm;远离基坑一端发生最小沉降，20.01mm。管线2最大沉降为19.0 mm，最小沉降为15.3mm。由上述分析已知，当管线为混凝土管时，管线1最大沉降为25.1 mm，管线2最大沉降为19.6 mm。当管线由混凝土管变为钢管时：管线1最大沉降减小0.8 mm，减小幅度 3.19%；管线 2 最大沉降减小 0.6 mm,减小幅度3.06%。可知，当管线弹性模量变大时，基坑开挖引发的沉降会有一定程度减小。

图7 基坑三道支撑时不同开挖深度下钢管线垂直位移

3.3 PVC管线变形

图8为当管线为PVC时、基坑三道支撑开挖10 m管线位移图。管线1最大沉降为 26.8 mm，最小沉降为 22.6 mm。管线2最大沉降为20.8 mm，最小沉降为17.2 mm。相比混凝土管线1最大沉降为25.1 mm，管线2最大沉降为19.6 mm。PVC管线1最大沉降增大1.7 mm，增大幅度6.77%；管线2最大沉降增大 1.2 mm,增大幅度 6.12%。可知，当管线弹性模量变小时，基坑开挖引发的管线沉降会有很大程度增大。基坑开挖时尤其要加强PVC等弹性模量较小管线的监测和防护。

图8 基坑三道支撑时不同开挖深度下PVC管线垂直位移

4 结论

针对深基坑开挖对邻近地下管线的影响，采用ABAQUS有限元软件建立了“地上土体-地下土地-管线-基坑围护墙-围护支撑”的系统模型，研究了基坑围护不同支撑措施下管线随基坑开挖的变形规律，具体结论如下：

①基坑开挖导致土体应力释放，使土体发生变形，使管线受到附加应力作用而发生沉降变形，基坑开挖深度越大，管线沉降越大，管线靠近基坑开挖区域的管线沉降明显比远离开挖区域的沉降要大；

②基坑支撑对管线变形有着显著影响，随着基坑围护墙支撑数量和强度的增加，其对周围土体的变形抑制越强，管线沉降就越小，及时对基坑进行支撑可有效地降低基坑开挖对周边管线的影响；

③在同样的基坑开挖条件下，不同种类管线的变形不同，主要由其弹性模量控制。基坑开挖时尤其要加强PVC等弹性模量较小管线的监测和防护。