基坑开挖对邻近管道变形影响的数值模拟研究

裴生平 邓尤术 黎森宇 黄耀鹏

(1 中铁隧道局集团有限公司；2 广东工业大学土木与交通工程学院）

随着社会经济发展带动城市空间的拓展，城市地下空间工程的建设也越来越多，人们通过地下线路管道的连接的依赖越来越大，不断涌现的下埋管道、地下综合管廊、地铁隧道和深大基坑等工程，使得地下空间工程施工难度越来越大，其安全性也越来越受到人们的重视，其中很多基坑工程的建设施工会对邻近在役的管道产生影响[1]。实际工程中，基坑开挖会引起场地应力的重分布，继而打破邻近在役管道的受力平衡，引发管道的变形，若引起变形过大则会使得管道发生不均匀沉降，引发重大的工程事故，特别在深厚软弱地层条件下进行深基坑开挖，这种现象则更为明显[2]，并且已有的相关规范对既有的邻近管道的变形提出严格的要求。

目前，学者们已深入运用多种方法研究基坑开挖对邻近在役管道的影响。在理论分析方面，唐孟雄等[3]通过回归分析求得基坑挡土墙侧向位移的表达式，通过地表沉降与位移之间关系，求出地表任意点的位移表达公式，最后通过该点代入管道的受力分析中，估计管道在基坑开挖过程中是否遭受破坏指导施工并对地下管道采取相应措施保证其安全可靠；李佳川等[4]采用空间八节点非协调等参单元方法，研究了地下连续墙基坑开挖过程中土体沉降沿基坑纵向的分布规律，与实际工程实测数据进行对比，验证其推算的可靠性，并引进了沉降传递系数的概念，当知道地表沉降值时可估算地下管线的变形。在模型试验方面，Kusakabe等[5]进行了邻近基坑开挖对既有管道影响的离心模型试验研究，讨论了砂土中垂直轴对称开挖对附近地下管道的影响，并总结离心模型试验的结果；吴波等[6]通过离心机模型试验研究地铁隧道施工对管线的影响，模拟结果表明，管线在施工过程中处于安全状态，同时还进行了数值模拟分析和现场量测的地表沉降值的对比分析，验证结论的合理性。在现场监测研究方面，刘红岩等[7]在前人提出的弹性地基梁理论的基础上，提出根据现场实测地表沉降曲线计算基坑开挖对引起邻近地下管线位移的方法，弥补前人假定地下管线上方地表沉降曲线为抛物线的不足，从而使计算结果更加准确；李镜培等[8]采用现场设点实测的方法对施工过程中各关键点位的位移的变化规律进行监测，并将实测数据与类似条件的工程进行对比，分析基坑自身结构及周边管线的变形特性，探究开挖深度与空间效应对不同位置基坑结构及管线变形的影响。在数值模拟方面，吴峥等[9]利用ABAQUS软件对某管廊基坑上跨管道的工程进行数值模拟分析，分析结果表明，在管线周边进行合理的注浆加固，能有效减少管线的整体隆起变形，且改变管线与基坑长边夹角至合适的角度可使得管线的隆起减少；饶文昌[10]通过有限元软件，以实际工程为例，分别计算二维三维的有限元模型，分析管线变形及受力，并对施工过程中坑外超载这一不利工况对管线的影响进行分析，并给出了基坑截面改变处不应该发生在管道的焊接处；杜金龙等[11]采用FLAC3D分析基坑开挖对邻近不同管径管线的影响，计算结果表明，管径大小对管、土相互作用影响很大，相关研究计算中应考虑管、土相互作用，同时对于平行于基坑边的管线，其最不利受力处均发生在在基坑端角部20%开挖长度的范围内，应对该区域管线加以特别保护。

综上所述，从大量以往的研究可看出，基坑开挖对于邻近在役管线的影响，主要跟基坑与管线的间隔距离、管线与基坑的相对夹角以及对管线的保护方法等有关。不过郑刚[12]在进行基坑开挖对邻近隧道的研究中，通过大量的有限元分析认为支护结构的不同变形模式会对基坑周边环境的受力变形产生一定影响，同时目前也已经有相关研究表明，受水平支撑沿深度的布置间距、水平支撑不同位置、支护结构的支撑刚度以及施工方法等因素的影响，基坑支护结构变形模式可以归纳为悬臂、踢脚、内凸和复合4种[13]，这四种基坑支护结构变形示意图如图1。尽管如今已有许多学者对基坑邻近管道的相关课题进行过大量研究，但对于基坑开挖后支护结构变形模式对于管道变形的影响鲜有报道。因此，在软土地区进行第三方基坑的开挖，对于管道的保护处理必不可少。本文研究内容在以往相关研究上更进一步，以南沙某工程区内所进行的第三方基坑施工对邻近管道的保护工程项目为依托，综合上述研究基础，采用Midas GTS 有限元软件，建立三维模型探究基坑开挖深度、基坑支护水平位移大小以及支护结构变形模式不同时，基坑开挖对邻近在役管道变形的影响规律，总结出相关工程经验，为今后相关工程建设提供参考。

图1 围护结构典型变形模式[13]

1 项目概况

1.1 管道工程概况

本研究所依托的项目为南沙某工程区内所进行的第三方基坑施工对邻近管道的保护工程项目，该工程位于南沙区东涌镇。基坑附近存在浅埋燃气管道。燃气管线离基坑工程距离大致约为5～70m。目前对于管道的保护方法在该工程区主要有如下几种：①部分路段，考虑到软土层较厚，且工期要求十分紧张，故桥头段落、挡墙及涵洞过渡段软基采用长板-短桩和水泥搅拌桩处理；②也有部分道路右侧边缘距离燃气管线过近，为减少软基沉降对管线的影响，保护燃气管线，故采用长板-短桩进行处理，局部一般路段采用复合地基处理；③距离广州燃气管道较近的位置，设置挡墙收坡，工程实施范围距离燃气管线均大于5m。尽管有一系列系统的保护措施，但仍然不可避免地，在第三方基坑开挖的过程中，仍会有某些管道发生破坏，如当中相隔较近的燃气管道已发生较大变形而损坏（如图2 所示），相距较远的一些管道亦受到一定影响（如图3 所示）。因此，软土路基处理的施工将对邻近管道产生重要影响，为此，本项目通过建立管道、基坑及其支护结构体系以及地层的三维有限元模型，分析第三方基坑施工对邻近在役管道位移的影响规律，以其为管道的保护提供相关参考。

图2 离基坑较近变形受损的燃气管道

图3 相隔较远受影响的燃气管道

1.2 水文地质概况

项目的地质条件相对复杂，根据钻探结果，场地范围土层性质从上往下主要为1.1～4.0m 素填土、5.4～2.37m 淤泥、2.8～16.8m 淤泥质土、1.3～6.8m 粉质粘土、1.4～8.7m 淤泥质砂、1.0～5.8m 粉细砂、1.1～18.3m 中粗砂、4.6～10.0m 圆砾、下层的泥质粉砂岩，地层分布不均。工区地处珠江水系入海口，地表水系发达，主要为河涌、鱼塘，其水文情况也较为复杂，地下水位受季节及潮汐影响，咸度随潮汐变化而变化，属淡水或微咸水，由于生活废水的排放，水质较差，在干湿交替环境下，地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。由此可见地质水文情况，对于基坑及管道的保护都是不利的。

2 三维有限元计算模型

2.1 模型的建立

为了模拟基坑开挖施工对邻近管线的影响，根据工程实际，做了一定的简化，建立了如图4 的整体三维有限元模型，模型取220m×24m×44.7m（长×宽×高）。简化实际工程中基坑的大小及形状以及管线的位置，其中，基坑宽度设为90m，基坑开挖深度分别设为5m 和10m。根据现有的研究成果和工程经验，深厚软土地层，基坑开挖常采用连续墙/排桩+内支撑的支护体系，为此，本项目的基坑支护结构体系为等效连续墙+钢筋混凝土支撑。模型自上而下各土层依次为填土、淤泥、淤泥质土和中砂。

图4 Midas/GTS有限元模型

2.2 模型的模拟过程

在Midas/GTS 中，通过荷钝化和激活单元来实现模拟基坑的开挖的施工阶段过程。具体施工阶段工序见表1。首先建立地层模型和隧道（即工序1），然后进行基坑支护结构的施工，即完成支护桩和立柱施工（即工序2），随后依次进行工序3、4，也有的基坑工程只开挖5m，即不进行工序4。

表1 基坑开挖模拟步骤

2.3 基本假定

该模型建立的基本假定主要如下：①岩土体介质采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型；等效连续墙、燃气管道、腰梁、冠梁、支撑和支撑立柱采用线性弹性本构模型，有限元模型中各种材料的物理力学参数如表2 所示；②假定各土层都为成层均质水平分布；③不考虑地下水在基坑开挖过程中的影响；④不考虑时间因素。

表2 有限元模型各材料物理力学参数表

3 数值模拟结果与分析

由于本项目需要建立三维模型探究基坑开挖深度、基坑支护水平位移大小以及支护结构变形模式不同时，基坑开挖对邻近在役管道变形的影响规律，因此考虑到不同的参量，在建立模型时会这样控制。基坑开挖深度设置为5m 和10m，支护结构最大水平位移分别为46.9mm、38.2mm、32.2mm、25.3mm、20mm和9.7mm，支护结构位移形态可为鼓肚子变形、倾覆变形和踢脚变形，下文先会用云图举例显示模拟结果，最后再用折线图将所有结果汇总，得到相关规律。

3.1 基坑开挖深度对管线位移的影响

当基坑开挖深度分别为5m和10m时，管线和基坑支护结构的位移如图5和6所示。

3.2 基坑支护水平位移对管线位移的影响

当基坑支护的最大水平位移分别为46.9mm、38.2mm、32.2mm、25.3mm、20mm和9.7mm时，管线和基坑支护结构的位移如图7～图12所示。

图7 支护结构最大水平位移为46.9mm时的模拟结果

图8 支护结构最大水平位移为38.2mm时的模拟结果

图9 支护结构最大水平位移为32.2mm时的模拟结果

图10 支护结构最大水平位移为25.3mm时的模拟结果

图11 支护结构最大水平位移为20mm时的模拟结果

图12 支护结构最大水平位移为9.7mm时的模拟结果

3.3 支护结构变形模式对管线位移的影响

当基坑支护的变形模式分别为鼓肚子变形、倾覆变形和踢脚变形时，管线和基坑支护结构的位移如图13～图15 所示，其中各种变形所控制支护结构的最大位移均为46.9mm。

图13 支护结构鼓肚子变形形态时的模拟结果

图14 支护结构倾覆变形形态时的模拟结果

图15 支护结构踢脚变形形态时的模拟结果

3.4 结果分析

根据图5～图15 的模拟结果，可得基坑开挖深度、基坑支护水平位移大小、支护结构变形模式以及基坑支护结构类型都会对在役的邻近管道造成一定的影响，总体而言无论哪种情况也会存在着管线离基坑距离越远（达到一定的距离），会随距离越远影响越小，不过具体情况需具体分析，根据上述模拟结果，整理出管线的位移模拟结果，并以折线图的形式所展现，一同整理于图16～图18中。

图16 不同基坑开挖深度对不同距离管线位移影响规律图

由图16～图18可得到基坑施工对于邻近管道的影响与管道与基坑的水平间距、基坑开挖深度、基坑支护结构最大水平位移以及基坑支护结构变形形态等方面相关，从以上模拟结果数据中可得到如下的3 个主要结论：

⑴由图16 可知，当基坑开挖深度为5m 和10m 时，坑边管道的水平位移和竖向位移随管道与基坑水平间距的增加均呈先增加后减小的趋势，其中，管道在距离基坑10～15m 范围内受基坑开挖的影响最大且主要的位移为沉降。

⑵由图17 可知，基坑支护结构的水平位移对坑边管道的位移产生重要影响，总体上基坑支护结构的水平位移愈大，坑边管道的位移愈大。同时，当基坑支护结构最大水平位移在35mm～45mm之间时，管道与基坑的水平间距大于35 时，基坑开挖引起的管道沉降和水平位移均小于10mm；当基坑支护结构最大水平位移在20mm～35mm之间时，管道与基坑的水平间距大于25 时，基坑开挖引起的管道沉降和水平位移均小于10mm；当基坑支护结构最大水平位移在10mm～20mm之间时，管道与基坑的水平间距大于15 时，基坑开挖引起的管道沉降和水平位移均小于10mm。

图17 基坑支护结构最大水平位移与管线位移的影响规律图

⑶由图18 可知，基坑支护结构的位移形态对坑边管道位移产生重要影响。其中，倾覆式和踢脚式的基坑支护结构变形形态引起的坑边管道的水平位移较大，均接近基坑支护结构的最大水平位移；鼓肚子式的基坑支护结构变形形态引起的坑边管道的沉降较大。同时，基坑支护结构倾覆位移形态对场地变形的影响范围最大，即使管道距离基坑已达45m，管道的水平位移仍然达到11mm；基坑支护结构踢脚位移形态对场地变形的影响范围较小，当管道距离基坑超过20m，管道的水平位移和竖向位移即可控制在10mm内；对于基坑支护结构鼓肚子位移形态，当管道距离基坑超过35m，管道的水平位移和竖向位移即可控制在10mm内。

图18 基坑支护结构位移形态对坑边管线位移的影响规律图

4 结论

南沙某工程区范围中的基坑管线工程地质条件差，地下水丰富，同时有许多管线距离较近，同时根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009），基坑开挖引起的压力管道的位移预警值应控制在10～30mm范围内，考虑到本项目管道埋深较浅且在深厚软土地层中服役，因此，建议基坑开挖引起的燃气管道的位移控制在10mm以内，这种位移控制无疑会对基坑工程的质量工程和管线的保护提出了较高的要求，本文通过研究基坑开挖深度、基坑支护水平位移大小、支护结构变形模式以及基坑支护结构类型等因素对邻近在役管道变形的影响规律，探索对基坑邻近管线的合理合理保护形措施，得到的主要的结论如下：

⑴基坑周边管道的水平和竖向位移均随管道与基坑水平间距的增加呈先增加后减少的变化规律，其中，管道在距离基坑10～15m 范围内受基坑开挖的影响最大且主要的位移为沉降。若管道与基坑水平间距小于25m，应对管道进行监测和保护处理。

⑵基坑支护结构的水平位移对坑边管道的位移产生重要影响，基坑支护结构的水平位移愈大，坑边管道的位移愈大。若基坑的支护结构发生较大的水平位移，且管道与基坑间隔不大，需对管道采用必要保护措施。

⑶基坑支护结构的位移形态对坑边管道位移产生重要影响，倾覆式和踢脚式的基坑支护结构变形形态引起的坑边管道的水平位移较大，鼓肚子式的基坑支护结构变形形态引起的坑边管道的沉降较大。当基坑支护结构发生倾覆式位移形态，需对邻近的管道采用必要的保护措施。