填海区深基坑施工对邻近管线影响及保护措施研究

时间：2024-07-28

李保军，钟毅，潘纪浩，沈俊，包小华，崔宏志

（1、深圳市交通公用设施建设中心深圳 518040；2、深圳大学土木与交通工程学院深圳 518061）

0 引言

目前已有大量对于深基坑开挖时自身稳定的研究，但基坑开挖时还会对周边建构筑物产生不可预估的影响，如何对这种影响进行定量分析是当下研究的一个难点，而对于基坑邻近地下管线的安全控制更是其中的重点［1］。基坑开挖卸荷时，其周边土体应力状态发生改变，埋于地下的管线受土体产生的附加应力从而发生变形，目前对于这种变形的计算主要有理论解析和数值计算两种方法。魏纲［2］利用Winkler 地基模型引入Peck 公式计算管线平面处土体位移得到管线变形与内力变化曲线；姜峥［3］对比分析了附加位移法与附加应力法的异同，发现附加应力法在计算中忽略了施工过程与土体蠕变的影响；理论解析中除类似的基于弹性地基梁模型计算管线变形外［4-5］，对实际工程进行统计分析预测变形也是常用的方法；张陈蓉［6］提出了基坑长度范围内坑外土体沉降沿深度变化的预测公式，并利用DCFEM 法和位移控制两阶段理论分析法对同一案例进行验证。相比于理论解析，数值分析可验证更多管线变形的影响因素。谢沃等人［7］研究管线材料、直径、位置以及开挖工序对管线应力分布以及变形规律的影响，发现影响管线应力变化的主要因素是管线自身刚度、管线直径以及管线与基坑的相对位置；施有兵等人［8］通过有限元分析基坑开挖时管线变形与内力变化，并提出了在管线四周进行注浆加固以及在主要沉降段打入预制管桩的管线保护方案；NAN［9］利用数值模拟软件研究基坑爆破开挖时管线内压的响应规律，提出不同内压下管线峰值应力的预测模型，可用于爆破振动时的管线安全评估；王正振［10］研究发现冠梁标高降低后会导致坡顶土体失去侧向约束，在坡顶竖向荷载作用下，基坑周围会产生较大的沉降和水平变形，当基坑周围有管线时应谨慎降低冠梁顶标高来保证管线的安全。ZHANG等人［11］研究了管线和基坑参数在基坑开挖时对管线内压、应力及应变的影响，计算表明基坑开挖后，管线中段上表面受压，下表面受拉；管线内压对管线变形影响程度较小；管线变形随土体泊松比增大而增大，随土体黏聚力增大而减小。

上述研究成果主要探讨了基坑开挖对管线变形及应力的影响，并没有针对具体工况下管线的保护加固措施进行研究以及分析不同加固措施的效果，而且目前针对管线自身因素的研究较多，对于不同基坑开挖形式对管线影响的研究还较少。由于填海地层粘聚力低、孔隙率大以及稳定性差等原因，基坑开挖过程中的管线安全控制更是其中的重点，本文以位于深圳妈湾抛石填海地区的跨海通道工程为案例，结合数值分析与理论计算，研究基坑开挖时加固措施、管线位置、基坑开挖形式对管线的影响效应，分析管线变形与内力的变化规律，为填海地区深基坑施工对周边环境影响控制提供借鉴。

1 工程概述

妈湾跨海通道（月亮湾大道沿江高速）工程位于深圳市西部，途径前海妈湾及宝安大铲湾两区域，路线全长约8.05 km，其中前海段2.5 km，海域段1.1 km，大铲湾段4.45 km，道路规划等级为城市快速路。前海侧基坑设计范围主要包括主线段、S1 匝道段、S2 匝道段、S3 匝道段和S4 匝道段。主线K1+680-K2+000段基坑深度大于12 m，且距离基坑左侧围护墙外边线5.5～20.0 m范围内存在需要保护的高压燃气管线，1.3倍基坑深度范围内软弱土层大于5 m，此标段范围内S1线与主线基坑同槽施工，基坑安全等级为一级。S1线与S2线在主线两侧对称分布，且主线基坑中间设立柱桩，为研究基坑开挖对左侧邻近管线影响，取S1 匝道与主线基坑左侧分析，其剖面如图1所示。

图1 基坑与管线地层剖面Fig.1 Profile of Foundation Pit and Pipeline （m）

根据勘察报告，抛石层分布极不均匀，埋深最大可达20 m，主要由花岗岩块石组成，块石直径多为0.2～0.8 m，含量约为50%～80%，局部抛石块径大于1.5 m。基岩为蓟县系的混合花岗岩及混合岩，岩面由南向北逐步上升。

2 数值模拟

以图1 所示基坑与管线剖面图进行建模，匝道基坑部分深30 m，宽13 m；主线基坑部分深13 m，宽12 m。两者长度均为30 m，管线距地连墙外侧水平距离为5.5 m，如图2所示，模型尺寸为90 m×90 m×60 m，模型底面（z=0）约束三向位移，模型侧面仅约束法向位移，模型顶面（z=50）为自由面。

图2 数值模型Fig.2 Numerical Model

如图2 所示，注浆加固区设在地连墙靠近管线一侧，为宽2.0 m，与基坑等长，深25.0 m 的立方区域，其变形模量根据《建筑地基基础检测规范：广东省标准DBJ/T 15-60—2019》进行取值和计算：

式中：E0为变形模量；I0为承压板形状系数，取0.886；b为承压板边宽或直径（m），b=2.0 m；fak为地基承载力特征值，fak=150 kPa；s为与承载力特征值对应的沉降量（mm），根据试验数据，s取2.93 mm；ν为泊松比，按照规范内碎石土的经验值进行取值，为0.25。

其注浆加固体剪切强度参数的取值根据许宏发等人［12］提出的注浆前后剪切强度参数增长率的公式计算：

式中：ξ c为抗压强度增长率；ξcoh为粘聚力增长率；ξƒ为摩擦系数增长率。

注浆加固区的物理力学参数为重度22 kN/m3，弹性模量150 MPa，内摩擦角35°，粘聚力150 kPa。

土层物理力学参数根据实际工程地勘所得，如表1所示。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soil

在对隔离桩、隔断墙、地连墙、排桩等围护结构的模拟过程中，依据实际工程参数进行设置，设为线弹性模型，其参数如表2所示。

表2 围护结构力学参数Tab.2 Mechanical Parameters of Enclosure Structures

基坑内部支护为钢筋混凝土支撑，采用beam 单元模拟，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，截面面积为0.08 m2。管线为API 5L X65 钢管，与地连墙平行，位于墙后5.5 m，平均埋深1.7 m，管外径610 mm，壁厚16 mm。模拟中采用实体单元模拟，弹性模量为210GPa，泊松比为0.25。

基坑开挖前已进行注浆加固并且地连墙、隔断墙、隔离桩均已施工完毕，开挖分为exc1-exc7 共7 块区域，每开挖一块区域后在开挖底部进行支撑施工。其中exc1-exc3 包括匝道与主线部分，exc4-exc7 为匝道基坑开挖部分，exc3 开挖后进行主线基坑底板施工，完成后进行匝道基坑部分开挖模拟，最后为匝道基坑底板施工。

3 数值模拟与理论解对比

目前关于基坑开挖引起管线变形值的理论解析方法都是基于弹性地基梁模型，引入基坑开挖引起管线同平面土体的附加荷载或附加位移进行求解，本文以附加位移法［3］计算管线竖向变形与纵向弯矩作为方法1，并与模拟值进行对比分析。

首先根据Peck修正土体变形函数计算地表沉降值：

式中：u为基坑周围一点土体的沉降值；umax为管线所在平面地表沉降最大值；x为从基坑中心断面到计算点的纵向距离；i为地面沉降槽宽度系数，根据O′REILLY 等人［13］提出的公式计算：

式中：z0为基坑侧壁与管线水平距离，本文中根据工程实际取值为5.5 m；k为沉槽宽度参数，本文中根据工程实际取值为0.3。

最大位移umax可根据式⑸进行计算：

式中：V1为地层损失率，受工程条件和施工情况影响。地下管线受基坑开挖影响的变形微分方程为

式中：S（x）为基坑开挖引起的管线竖向位移；u（x）为基坑开挖引起的土体沉降，由式⑶计算；K=kb，k为管线平面处地基反力系数，根据Vesic 提出的表达式进行计算：

式中：E为管线弹性模量；E0为土体弹性模量；u为泊松比；b为管线外径；I为管线截面惯性矩；考虑管线埋深，管线平面处地基反力系数取为2k，最后计算得K为17.035×103kN/m2。

在附加位移法计算中关键的步骤为地表沉降值的计算，为了更好地对比分析模拟值与解析解的异同，现根据已有的坑外地表沉降预测公式［6］：

式中：H为基坑开挖深度；A为变形影响半径，与基坑开挖深度H及基坑开挖长度L有关，计算公式如下：

式中：y为坑侧到管线的距离。

由式⑻代入到式⑹同样可得基坑开挖引起的管线竖向位移，并将此方法作为方法2。将方法1 与方法2计算得到的管线变形值分别代入弹性地基梁模型计算地下管线弯矩值。其公式如下：

式中：Smax为管线竖向位移最大值，方法1 计算得到的为13 mm，方法2计算得到的为9 mm。

不设加固措施相同工况下的数值分析与理论解计算结果如图3 所示。基坑长度为30 m，管线纵向坐标以基坑中央对称面为原点，则基坑前后坑角处管线坐标分别为-15 m 与15 m。由图3⒜可知，理论解与模拟值得到的管线变形趋势基本一致，管线竖向位移在基坑中部最大，向两侧减小，呈现出凹槽状；方法1计算得到的管线沉降值最大为13 mm，方法2 计算得到的最大沉降为9 mm，模拟中最大沉降为11.8 mm；在基坑坑角处理论解与模拟结果差异较大，主要原因在于理论解在计算中忽略了基坑开挖范围以外的管线变形，假设了管线只在基坑开挖长度范围内产生变形。管线纵向弯矩曲线如图3⒝所示，管线在基坑中部纵向弯矩绝对值最大。弯矩在基坑中部10 m 范围内急剧变化，以基坑中心断面为对称面弯矩绝对值向两侧经历了减小-增加-减小的变化趋势；在基坑坑角附近，其纵向弯矩变为正值，相比与理论计算所得，模拟中正弯矩峰值更靠近坑角，且坑角处弯矩尚为1.3 kN‧m，说明基坑开挖不仅引起基坑长度范围内管线内力的变化。

图3 数值模拟与理论解比较Fig.3 Comparison of Numerical Simulation and Theoretical Solution

4 基坑开挖对邻近管线影响分析

4.1 不同加固工况影响分析

管线在基坑开挖过程中的变形与内力变化受加固措施的影响，合适的加固措施能有效减少管线的变形效应，更好地保护坑侧管线。在此分别建立不设加固措施、注浆加固区加固、隔离桩加固以及隔离桩与注浆加固区共同加固4 种计算模型，其计算结果如图4所示。

图4 不同加固工况下管线的位移与内力Fig.4 Displacement and Internal Force of Pipeline under Different Reinforcement Conditions

如图4⒜所示，加固效果由好到差依次为：隔离桩与注浆加固区共同加固、隔离桩加固、注浆加固区加固，不设加固措施时，管线竖向位移值最大，最大绝对沉降值达到11.8 mm，隔离桩与注浆加固区共同加固、隔离桩加固、注浆加固区加固3种工况中对应的管线最大竖向位移值分别为-5.85 mm、-6.23 mm、-6.47 mm，均出现在基坑中部，不设加固措施的工况中，管线绝对沉降值与差异沉降值都显著增加，最大竖向位移为-11.84 mm。管线水平位移变化曲线如图4⒝所示，与竖向位移变化趋势相同，都是中间大，两侧小。在水平方向上，管线整体向基坑开挖方向移动，在各加固工况中，水平位移值只占竖向位移值的15%～20%，可见基坑开挖时对邻近管线变形影响主要为竖向沉降。同样是在不设加固措施工况中的水平位移值最大，为2.06 mm。不同加固工况下，基坑开挖所引起邻近管线纵向弯矩变化如图4⒞所示。在基坑端角处，其纵向弯矩均为正值，相互之间差值不超过0.2 kN‧m，综上可知，不同加固措施对管线纵向弯矩影响较小，这是由于加固措施没有改变近管侧周围的土体刚度；不设加固措施时，其纵向弯矩绝对值最大，说明管线刚度与周围土体刚度差值最大，土体变形增大，从而作用在管线上的附加内力增加。

4.2 管线位置影响分析

为研究不同基坑开挖位置对邻近管线影响效应，建立管线与基坑之间水平距离分别为6 m、10 m、14 m、18 m、22 m、26 m 的三维模型，其中除管线与基坑水平距离外，管线材质、内外径、埋深、加固措施与基坑支护结构等因素均相同，管线与基坑之间水平距离按管线靠近基坑一侧与地连墙靠近管线的侧面之间距离计算。

由图5⒜和图5⒝可知，不同基坑开挖位置下，管线竖向位移变化较大，管线水平位移值差异较小。在管线距基坑水平距离为14 m范围以内时，随着水平距离的增加，管线竖向位移也相应增加，管线与基坑之间水平距离超过14 m时，随着距离的增加管线竖向位移减小。出现这种现象的原因主要就是由于坑角效应的存在，在管线与基坑之间水平距离为6 m时，管线两端即基坑坑角处竖向沉降接近于0，说明此时坑角效应影响最大，抑制了管线的竖向沉降，其后随着埋距的增加，坑角效应逐渐减弱，管线在基坑中部和坑角处的竖向沉降均增加，在管线距基坑14 m时达到最大值，当管线与基坑之间水平距离超出14 m 的范围后，基坑开挖影响范围成为影响管线竖向沉降的主要因素，从而出现随着管线埋距增加，管线竖向沉降值减小的现象。管线水平位移和竖向位移变形规律基本相同，都是在基坑中部管线变形最大，自基坑中心向两边减小，呈现出正态分布。不同的是，坑角效应对管线水平位移影响较小，随着管线与基坑水平距离的增加，位移呈现逐渐减小的趋势。在管线与基坑水平距离为6 m 时，管线的水平位移值最大为1.67 mm；管线与基坑水平距离为26 m时，管线的水平位移值最大为0.68 mm，两者相差不超过1 mm，再次说明基坑开挖对管线的变形影响以竖向沉降为主。由图5⒞可知，无论是在坑角处管线正弯矩，还是基坑中部管线所受负弯矩，均与管线与基坑水平距离成反比，随着距离增加，管线所受弯矩绝对值也减小。

4.3 基坑形状影响分析

为研究基坑开挖形状对邻近管线影响效应，建立了3 种开挖形式的基坑模型，如图6 所示，3 种基坑模型的开挖土方量相同。Ⅰ型为采用实际工程中的基坑形状；Ⅱ型为模拟放坡开挖所建立，Ⅱ型基坑的1/3开挖深度为30 m，其余范围开挖深度为18 m；Ⅲ型全断面开挖，深度相同，均为22 m。

图6 基坑开挖平面Fig.6 Foundation Pit Excavation Plan

如图7⒜和图7⒝所示，不同基坑开挖形状对管线竖向位移与水平位移的影响程度较小，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型3种基坑开挖形式下的管线竖向位移均出现在基坑中部，管线变形趋势一致，在Ⅱ型基坑中管线竖向位移整体小于其他两种类型基坑，说明沿管线纵向方向深度的减小有利于控制管线的竖向沉降。随着靠近管线侧基坑开挖深度的减小，管线水平位移值也减小。在对Ⅱ型基坑中管线的变形曲线研究发现，沿管线纵向基坑开挖深度的变化不会改变管线的整体变形趋势，管线依然是在基坑中部变形最大，自基坑中心向两边减小，呈现正态分布。由图7⒞得，在基坑中部管线所受负弯矩，基坑全断面开挖22 m深时最大。说明Ⅱ型基坑在开挖深度上的变化，使管线弯矩增加。由此可知，当开挖土方量相等时，不同基坑开挖形状对管线变形与内力均会产生影响，当沿管线纵向方向基坑开挖深度产生变化时，管线所受弯矩会显著增加。

图7 不同基坑开挖形状管线位移与内力Fig.7 Displacement and Internal Force of Pipelines with Different Excavation Shapes