基于MIDAS的基坑开挖对邻近地下管线的影响分析

李振龙，汪东林，吴剑平，刘 昊

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

随着社会的发展、城市的建设，高层建筑大量出现，城市地下空间不断受到重视并得到开发[1]。因此大量基坑工程开始出现在城市的各个地方，而城市环境复杂、地下管线众多，基坑开挖通常会引起地下管线变形，对人民的正常生产生活造成影响，因此受到越来越多的关注[2]。基坑开挖会让土体丧失原有的平衡状态，导致邻近地下管线出现变形、开裂和位移等现象，影响地下管线的稳定性[3]。

近年来，大量学者在基坑开挖对周边地下管线的影响方面进行了研究[4]。关永平研究了地铁开挖对管线竖向位移的影响[5]；张陈蓉基于位移控制理论，提出了基坑开挖对管线保护的变形控制标准[6]；王成华利用有限元软件研究了基坑开挖对地下管线的变形影响，对管道进一步的研究提供了参考和依据[7]；王洪德对几种影响基坑邻近管线位移的因素进行了研究分析[8]。

参考合肥市某基坑开挖工程实例，利用有限元软件MIDAS GTS NX建立模型，对基坑开挖对地下管线的影响进行模拟分析，从管线埋距、管线埋深、地连墙厚度以及不同弹性模量地连墙4个方面研究基坑开挖对邻近地下管线的影响。

1 工程概况

该工程基坑长30 m，宽20 m，开挖深度10 m，支护体系为0.8 m厚的地下连续墙和3道内支撑，其中地下连续墙高13 m，第1道支撑是700 mm×800 mm的混凝土支撑，第2、3道支撑为直径609 mm(t=16)的钢支撑；该基坑工程附近有多条地下管线。

2 数值模拟

2.1 基本假定

地下管线及各支护材料均采用弹性本构模型，各层土体分布均匀，接触面假定为水平状，视为弹塑性介质，采用修正摩尔-库伦本构模型，划分为4层。探讨其中一个因素影响时，其他条件保持不变。分析过程仅考虑基坑开挖过程中的影响，不考虑基坑降水。管道始终与土体紧密接触，不发生脱离。

2.2 模型建立

根据基坑与地下管线的位置关系，建立三维有限元模型。本基坑开挖工程中基坑尺寸为30 m×20 m×10 m，依据相关经验并查阅资料，基坑开挖过程中对基坑周围土体的影响约为开挖深度的2～4倍[9]，因需要考虑到基坑邻近管线，故计算模型尺寸为160 m×160 m×30 m，具体如图1所示。模型网格划分完成后应设置模型边界条件，因分析过程中不考虑基坑降水，所以仅对模型整体施加重力荷载。根据地勘报告可知土体分为4层，模型范围内土体自上而下为杂填土、淤泥质粉质黏土、黏土、强风化泥质砂岩。土体参数如表1所示；结构材料采用弹性模型，结构材料参数如表2所示。

图1 基坑模型

表1 土体参数

表2 结构材料参数

2.3 施工阶段模拟

本次模拟主要研究基坑开挖过程中对地下管线的影响，因此对初始应力场分析和地下管线施工后进行位移清零。基坑开挖分3步进行，开挖的土体厚度分别为3、3、4 m。施工阶段分7步进行，具体步骤如表3所示。

表3 施工阶段步骤

3 模拟结果分析

由于基坑几何模型关于Y=80 m对称，因此，本文只取沿管线方向(即Y轴)的0～80 m范围内进行研究。管线一般埋置在地表以下1.5～4.5 m处[10]，本文主要对地下埋深3 m的管线进行分析。

3.1 距基坑不同埋距的影响

选取直径为600 mm、壁厚为60 mm的混凝土管线，距地面3 m埋深，其他条件相同时，分析距基坑分别为10、15、20、25、30 m条件下管线水平和竖向位移情况。地下管线的水平位移结果如图2所示，竖向位移结果如图3所示。

图2 不同埋距下管线水平位移

由图2可以看出，曲线的变化趋势相似，管线的最大水平位移受距基坑远近的影响，管线埋距的增加会减少管线最大水平位移，在基坑开挖中心处(Y=80 m)水平位移达到最大值，图中在距基坑10 m埋距处出现最大水平位移，最大水平位移为15.2 mm。埋距为15、20、25、30 m处水平位移分别为13.8、11.5、9.05、6.78 mm。

由图3可以看出，管线的竖向位移规律基本一致，管线的竖向位移跟埋距成反比，距基坑埋距越小，管线竖向位移越大，图中最大竖向位移出现在距埋距10 m处，最大竖向位移为16.8 mm。埋距为15、20、25、30 m处竖向位移分别为11、6.69、3.83、2.16 mm。

图3 不同埋距下管线竖向位移

3.2 不同埋深的影响

选取直径为600 mm、壁厚为60 mm的混凝土管线，在10 m埋距，其他条件相同的情况下，分析埋深分别为1、3、5、7、9 m条件下管线的水平和竖向位移情况。地下管线的水平位移结果如图4所示，竖向位移结果如图5所示。

图4 不同埋深下管线水平位移

图5 不同埋深下管线竖向位移

由图4可知曲线的变化趋势相似，埋深的增大会减小管线水平位移，在基坑中部(Y=80 m)管线水平位移达到最大，图中最大水平位移出现在最靠近地表1 m埋深处，最大水平位移为16.5 mm。埋深3、5、7、9 m处最大水平位移分别为15.2、14.7、13.9、12.9 mm。由图5可以看出，埋深对管线的竖向位移影响较大，但最大位移的波动幅度受埋深影响较小，竖向位移在埋深处于0～5 m之间时，随埋深的增大而增大，超过5 m范围后，最大竖向位移会随着管线埋深的增加而逐渐变小，图中最大竖向位移出现在基坑开挖深度1/2处即埋深5 m处，最大竖向位移为16.9 mm。埋距1、3、7、9 m处最大竖向位移分别为16.7、16.8、16.6、15.6 mm。

3.3 不同地连墙厚度的影响

选取直径为600 mm、壁厚为60 mm的混凝土管线，在10 m埋距、3 m埋深，其他条件相同的情况下，分析地连墙厚度为0.6、0.8、1、1.2、1.4 m条件下的管线位移情况。地下管线的水平位移如图6所示，竖向位移如图7所示。

图6 不同地连墙厚度下管线水平位移

图7 不同地连墙厚度下管线竖向位移

由图6可以看出，曲线的变化趋势相似，管线的水平位移随着地连墙厚度的增大而增大，在基坑中部(Y=80 m)水平位移达到最大值。图中最大水平位移出现在地连墙厚度1.4 m处，最大水平位移为23.3 mm。地连墙厚度0.6、0.8、1.0、1.2处最大水平位移分别为12.7、15.2、17.7、20.4 mm。由图7可以看出，地连墙厚度越大，管线竖向位移越大，图中在地连墙厚度为1.4 m处有最大竖向位移，最大值为31.7 mm。地连墙厚度依次为0.6、0.8、1.0、1.2 m时最大位移分别为12.1、16.8、21.6、26.6 mm。

3.4 不同弹性模量地连墙的影响

选取直径为600 mm、壁厚为60 mm的混凝土管线，在10 m埋距、3 m埋深、地连墙厚度为0.8 m，其他条件相同的情况下，分析地连墙弹性模量为10、20、30、40 GPa条件下管线的位移情况。地下管线的水平位移如图8所示，竖向位移如图9所示。

图8 不同弹性模量下管线水平位移

图9 不同弹性模量下管线竖向位移

由图8可以看出，管线的水平位移跟地连墙弹性模量成反比，弹性模量越小，管线水平位移越大，在基坑中部(Y=80 m)位移达到最大值。图中最大水平位移出现在地连墙弹性模量为10 GPa处，最大水平位移为16.3 mm。弹性模量为20、30、40 GPa处最大水平位移分别为15.6、15.2、14.8 mm。由图9可以看出，管线的竖向位移跟弹性模量成反比，弹性模量越小，管线竖向位移越大，图中最大竖向位移出现在地连墙弹性模量为10 GPa处，最大竖向位移为22.1 mm。弹性模量超过20 GPa后，对管线的竖向位移影响极小。弹性模量为20、30、40 GPa处最小竖向位移分别为16.8、16.8、16.7 mm。

4 结论

1) 管线的位移受距离基坑远近的因素影响较大。距离基坑越远，管线产生的变形量越小，且竖向位移的波动幅度远大于水平位移的波动幅度。

2) 管线的水平位移和竖向位移均受管线距地表埋深的因素影响。水平位移随着深度的增加而不断减小，但波动幅度较小；随着埋置深度的持续增加，竖向位移先增加再减小。

3) 管线的位移受地连墙厚度影响较大，与地连墙厚度成正比，随厚度的增大而增大。

4) 管线的位移受地连墙弹性模量影响较小，随着弹性模量减小，管线的位移逐渐增大。

5) 从管线的位移变化规律可知，管线位移变化趋势相似，在基坑中心位置处管线受到的位移影响最大，且竖向位移比水平位移大，因此在考虑管线防护时，不仅要考虑管线水平位移，也要考虑竖向位移，二者需要同步考虑。