条形深基坑对临近大直径管线的影响分析

王 新

（上海城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200125）

0 引言

本文以上海市某下立交的条形基坑为工程背景，运用有限元软件建立影响分析模型，通过分析基坑周边地层和管线的变形规律，评估基坑对临近管线的影响。通过本次研究，为相似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

上海市某下立交由西向东穿越某横向路口（见图1），车道规模为双向4车道，设计时速为60km/h。下立交总长460m，其中暗埋段140m，西侧敞开段长180m，东侧敞开段长140m，结构宽度18.4～19.2m。暗埋段为双孔矩形现浇混凝土结构（见图2），敞开段为U型结构。

图1 地道平面图

图2 地道建筑横断面图（单位：mm）

下立交与污水管1、2、3平行，下立交基坑与污水管1间距约9m，与污水管2间距2～4m，与污水管3间距8～9m。根据现场探测，污水管1管底埋深约9m，污水管2管底埋深3～5m，污水管3管底埋深约6m。

下立交基坑深度0～8m。地道基坑开挖范围内土层由下至上为③淤泥质粉质黏土夹粉土、③t粘质粉土夹淤泥质粉质黏土、②1粉质黏土、①1填土层。基坑主要位于软土层，且距离污水管2间距仅2～4m，应采用刚度大、施工扰动小的围护形式。地下连续墙围护刚度大，但成槽过程中易产生泥皮剥落甚至局部坍塌等扰动影响，故不宜采用。钻孔灌注桩+止水帷幕的围护方式占地较大，钻孔桩和止水帷幕施工对污水管2影响明显，故不宜采用。型钢水泥土搅拌墙刚度小，搅拌桩施工和型钢的插拔对污水管2影响明显，且工法桩竖向承重能力差，不能直接设置栈桥，故不宜采用。硬法切割的钻孔咬合桩采用钢套管成孔，施工过程中对临近管线影响微小，且咬合桩刚度大、占地小、竖向承载力高、可布置栈桥。因此，本工程采用1000@800钻孔咬合桩的围护形式。此外，基坑竖向设置3道支撑，首道结合栈桥设置混凝土支撑，余下支撑均为609×16钢管撑（见图 3）。

污水管1、2、3均为混凝土管道，采用承插接头连接。污水管1采用顶管法施工，污水管2和3采用开槽埋管施工。

2 模型建立

2.1 几何模型

本工程为条形基坑，基坑长度远大于基坑宽度，可简化为平面应变问题进行分析。根据平面假定，采用Plaxis2D有限元软件对本下立交基坑工程建立数值模型（见图4），模型中考虑临近大直径管线和地面超载20kPa。为消除边界影响，模型水平向宽度100m，竖向50m。边界条件：底部约束竖向位移，两侧约束水平向位移。

图4 模型网格图

2.2 材料参数

土体采用15节点的三角形单元，力学模型采用Hardening-Soil模型，土层物理力学参数见表1。围护结构采用弹性板单元模拟，污水管道均采用圆形弹性单元模拟，支撑采用弹性杆单元模拟。地下水位设定为地下0.5m，不考虑渗流作用。

2.3 模拟工序

首先，计算初始应力，清除初始位移。

其次，激活管线结构单元，计算完成后清除初始位移。

最后，激活围护结构，逐层开挖至坑底标高。

图3 基坑围护结构横断面（单位：mm）

表1 场地土层物理力学性质

3 影响分析

第一层基坑（坑深2.05m）开挖后的土层侧向变形和沉降如图5、图6所示。基坑围护最大侧移2.0mm，地面最大沉降约-0.8mm。3个管线沉降在-0.5mm以内，最大侧向变形约1mm。

图5 第一层基坑开挖后地层水平变形云图

图6 第一层基坑开挖后地层沉降云图

第二层基坑（坑深5.05m）开挖后的土层侧向变形和沉降如图7、图8所示。基坑围护最大侧移3mm，地面最大沉降约-1mm。3个管线沉降在-1mm以内，最大侧向变形约1.6mm。

图7 第二层基坑开挖后地层水平变形云图

图8 第二层基坑开挖后地层沉降云图

第三层基坑（坑深8.05m）开挖后的土层侧向变形和沉降如图9、图10所示。基坑围护最大侧移16mm＜24mm，地面最大沉降约-12.5mm＜20.1mm，满足中二级环境保护等级标准[1]。3个管线沉降在-8mm以内，最大侧向变形约9mm。

图9 第三层基坑开挖后地层水平变形云图

图10 第三层基坑开挖后地层沉降云图

基坑开挖完成后周边土体位移矢量图如图11所示。从图中可见，基坑开挖造成周边土体和临近管线向开挖面移动。污水管1竖向位于坑底附近，主要以水平位移为主，往坑内位移约6mm。污水管2竖向位于坑底之上，处于基坑理论破裂角范围内，总位移方向指向坑脚，最大值约9mm。污水管3竖向位于坑底以上，但其处于基坑理论破裂角外，总位移方向指向坑脚，最大值约6mm。

图11 基坑开挖完成后位移矢量图

综上分析，基坑开挖对临近3个大直径管污水管存在一定影响，总位移均小于10mm，满足管线控制标准。

4 影响因素分析

除基坑工程本体外，管道水平位移、覆土深度、管道直径等外部条件也是管道发生较大变形的影响因素。以管道最大水平位移为参照，分析各因素对管道的影响程度。

4.1 水平距离

以直径1.8m污水管为例，埋置深度约2.3m，调整管道与基坑水平距离，得到水平距离与管道最大水平位移相互关系，如图12所示。水平距离加大，管道最大水平位移明显减少。

图12 管道最大水平位移与水平净距关系曲线

4.2 埋置深度

以直径1.8m污水管为例，水平距离约2m，调整管道竖向埋深，得到覆土深度与管道最大水平位移相互关系，如图13所示。管道变形最大位置位于坑底以上1～3m处。

图13 管道最大水平位移与覆土深度关系曲线

4.3 管道直径

设定污水管，水平距离约2m，竖向覆土约2.3 m，调整管道直径，得到直径与管道最大水平位移相互关系，如图14所示。管径加大造成管道最大水平位移呈增大趋势，但增量较小。

图14 管道最大水平位移与管道直径关系曲线

比较可知，除基坑工程本体以外，管道与基坑水平距离、管道覆土埋深是管道变形的主要影响因素，管径为次要因素。

5 结语

借助上海某下立交工程，建立基坑开挖对临近大直径管线影响的数值模型，通过计算结果分析，得到以下结论。

（1）围护结构采用直径1000mm的钻孔咬合桩，较大的围护刚度对控制基坑变形作用明显。

（2）污水管竖向位于坑底附近，水平方向处于基坑理论破裂角之外时，主要发生往开挖面的水平位移。

（3）污水管竖向位于坑底之上，竖向处于基坑理论破裂角范围之内时，位移值相比较大，矢量方向指向坑脚。

（4）污水管竖向位于坑底以上，竖向处于基坑理论破裂角之外时，总位移方向指向坑脚。

（5）通过分析影响因素可知，管道与基坑水平距离、管道覆土埋深是管道变形的主要影响因素（除基坑工程本体以外），管径为次要因素。

条形基坑对临近大直径管线的影响较为复杂，基坑开挖引起的地层扰动和管线变形实质呈三维状态。后期将结合实测数据，分析基坑开挖引起管线三维变形的发展规律，为以后相似工程的施工控制提供参考。

参考文献:

[1]DG／TJ08-61-2010.上海市基坑工程技术规范[S].