基坑开挖对临近管线和检查井的影响分析

刘拴奇 张昌军 田 楠 张文娟

(机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710043)

0 引言

随着我国经济的快速增长，城市化发展进程和工程建设速度越来越快。用地紧张及经济、技术的发展促使工程建设中经常出现超大、深基坑。基坑的开挖打破了原有的应力平衡，引起支护结构和坑外土体发生水平、竖向位移，且既有建(构)筑物抵抗变形的能力有限，基坑开挖对周围环境存在不利影响，深基坑开挖对周边环境的影响分析成为重点问题[1,2]，特别是住房城乡建设部令第37号等实施以来，对深基坑的设计、施工要求更加严格。

传统的基坑支护设计软件仅能够对基坑支护结构进行分析，缺乏对周边环境的影响分析功能，这方面的研究主要采用在数值模拟的方法。王卫东等[3]采用有限元方法模拟了基坑开挖对围护结构、已运营隧道的影响。左殿军等[4]采用有限元方法，考虑隧道衬砌与土的相互作用，研究了基坑开挖对已建盾构隧道的影响，并分析了区间隧道、基坑支护结构、地表沉降、衬砌受力及位移变化趋势。冯晓腊等[5]采用有限元软件模拟分析了基坑开挖对支护结构、周边环境的受力、变形情况。

本文在传统支护设计软件基础上，采用有限元软件分析了基坑开挖过程中对临近管线和检查井的影响。

1 工程概述

1.1 项目简介

基坑呈不规则矩形，东西长约195 m～210 m，南北宽约177 m～196 m，基坑总长约803 m，面积约38 142 m2，基坑开挖深度3.2 m～19.0 m。临管线侧(基坑东侧)基坑支护段长约177.0 m，深11.7 m～19.0 m。

管线及检查井位于基坑东侧人行道下方，高程由南向北逐渐降低，坡度约5.5%。检查井平面尺寸为9.5 m×5.8 m，高9.9 m，距基坑开挖边线净距约8.3 m，埋深约4.0 m。管线距基坑开挖边线净距约10.2 m～12.5 m，管线外径0.63 m，壁厚10 mm，材质为钢材，埋深约5.3 m。

基坑总平面见图1，检查井结构见图2。

1.2 工程地质条件

表1 主要岩土特性

1.3 水文地质条件

基坑范围内及周边地下水类型属孔隙性潜水，其稳定水位埋深为44.70 m～53.30 m。场地地下水主要接受大气降水和地表水渗入等补给，排泄方式则以径流、人工开采和蒸发为主。本项目基坑支护设计不需考虑降水。

2 支护设计

根据场地工程地质和水文地质情况、基坑深度、周边环境条件，按照安全可靠、经济合理、技术可行、施工方便的原则，对基坑进行分段设计。由于基坑东侧支护长度较长，且基坑深度变化大，基坑支护类型较多。本文选取检查井处(同时也是基坑最深处)65 m范围进行分析。

由于检查井距基坑较近，基坑上部锚索无法施工，采用双排桩支护，桩径0.8 m，桩间距1.4 m，排距2.2 m，桩长27.0 m，嵌固10.28 m，基坑下部设置2道旋喷锚索；基坑其他部位采用单排桩支护，桩径0.8 m，桩间距1.5 m，桩长24.5 m，嵌固7.78 m，设置1道常规锚索和3道旋喷锚索。支护剖面如图3所示。

根据《建筑基坑支护技术规程》[6]，锚拉式支挡结构采用弹性支点法进行计算，计算结果如表2所示。

表2 主要计算结果汇总

3 有限元分析

传统基坑支护分析软件仅对支护构件进行受力分析，无法对周边环境进行分析。为了较准确的反映基坑开挖对临近管线和检查井的影响，本文采用Midas GTS NX 有限元软件对基坑开挖工况进行了模拟分析(见表3)。基坑开挖对管线的影响采用二维和三维模型分析，对检查井的影响采用三维模型分析。为减小边界约束的影响，模型边界与基坑的水平距离不小于基坑深度的3倍。

表3 基坑开挖、支护工况

在模拟主体施工及回填工况时，主体建筑按15 kPa/层荷载考虑，作用于基坑底部。回填土按正常土体单元考虑，临建筑侧增加水平位移约束。土体采用修正摩尔库仑本构模型，主要计算参数如表4，表5所示。

表5 主要结构参数

3.1 二维有限元模型

由于检查井具有空间特性，二维模型仅分析基坑开挖对管线的影响。选取最不利断面(基坑深18.12 m)模拟基坑开挖对管线的影响。模型高50 m，长100 m，右侧边界距基坑距离60 m，模型单元划分如图4所示。

3.1.1桩顶水平位移

各开挖工况下围护桩桩顶水平位移如表6所示。开挖至基坑底时，桩顶最大位移为-14.52 mm。根据《建筑基坑工程监测技术标准》[7]，围护桩桩顶水平位移累计值20 mm～30 mm，相对基坑设计深度控制值为基坑深度的0.2%～0.3%，可知桩顶水平位移满足变形要求。

表6 桩顶水平位移 mm

3.1.2管线位移

各开挖工况下管线的水平和竖向位移如表7所示。

表7 管线位移统计表 mm

1)随着基坑开挖深度的增加，管线水平位移逐渐增大，且临基坑侧管线水平位移变化相对较大，开挖至基坑底时最大水平位移为-12.61 mm，相对变化率为管线至基坑底高度的1‰。

2)管线竖向位移呈先隆起后下沉的规律，同样临基坑侧管线竖向位移变化相对较大。管线隆起的原因是第一次开挖深度2.3 m(工况3)较浅，开挖土体位于管线上方，卸载后造成管线隆起，最大隆起量为0.94 mm；随着开挖深度增加，管线逐渐下沉，最大沉降量为-2.27 mm。

根据《建筑基坑工程监测技术标准》[7]的要求，管道位移累计值为10 mm～20 mm，可知管线变形满足规范要求。

3.2 三维有限元模型

三维模型高50 m，长126 m，宽120 m，模型边界距基坑60 m～70 m。为简化计算，采用等刚度地连墙代替围护桩。图3a)对应的等效地连墙墙厚为0.55 m，图3b)对应的等效地连墙墙厚为0.57 m。三维模型如图5所示。

3.2.1检查井变形

各开挖工况下检查井位移见表8～表10，基坑开挖至坑底时的位移如图6所示；No.1～No.4位置如图6a)所示。

表8 检查井X方向位移 mm

表9 检查井Y方向位移 mm

表10 检查井Z方向位移 mm

1)检查井在开挖过程中发生旋转。开挖1～开挖4工况，检查井顶面X位移向正方向(坑外)逐渐增大，底面X位移向负方向(坑内)逐渐增大；开挖5～开挖6工况，检查井顶面、底面X位移向负方向(坑内)逐渐增大，变化趋势一致。检查井Y位移呈类似变化规律。检查井顶面、底面最大X(Y)位移差值为2.4 mm(0.8 mm)。

2)随着开挖深度增加，竖井先隆起后沉降。开挖1～开挖4工况，开挖面位于检查井井底以上，检查井隆起量逐渐增加，最大隆起量为4.4 mm；开挖5～开挖6工况，开挖面位于检查井井底以下，竖井逐步下沉，最大沉降量为3.2 mm。

3.2.2管线变形

影响管线安全的因素除了管线的位移绝对量外，还需考虑沿管线纵向的不均匀变形。沿Y轴正向于管线上选取5个点(间距约11 m，见图7)，管线总位移见表11。开挖过程中，两点之间最大差异变形绝对值为2.3 mm，相对值为0.2‰，不均匀变形较小。

表11 管线总位移 mm

4 结语

结合传统软件并采用有限元法分析了基坑开挖对周边环境的影响。根据分析结果可知：

1)深基坑开挖支护结构、管线变形随开挖深度的增大逐渐变大，根据计算结果，基坑开挖引起的管线变形满足规范要求。2)基坑回填后管线变形有所恢复，但并不能恢复原位，即基坑开挖对管线会造成永久性影响。3)基坑支护设计通过传统方法和有限元法相结合，分析了管线和检查井变形、围护桩桩顶位移，可以为类似工程提供参考。