公路基坑降水邻近地下管线破坏预测技术

文 / 北京市政建设集团有限责任公司 包余阳 付天宇

引言

开挖基坑降水会导致基坑与周边地区的地下水位降低，导致相邻的建筑物地下管线变形，造成建筑物沉降不均匀。地下管线可看成城市的生命线，必须对可能引起事故的问题进行有效避免。

因此，基坑工程施工对周围环境带来影响的问题得到工程技术工作人员的高度重视，从技术的角度来看，基坑降水导致相邻管线出现不均衡沉降的问题涉及了地下管线与土质相互作用的三维模型问题。当前的研究方法有两种，一种是解析法，另一种是数值分析法。

本文结合了实际性的工程案例，采用数值分析法，借助ABAQUS 数值分析软件，对基坑降水所造成的地下管线变形的状态激进型模拟，将施工现场的实测成果为验证模型的基本参数，创建地下管线损伤状态的预测模式。

工程实例

工程概况

某工程开挖基坑形状近似长方形，其长度为189m，宽度为68m，开挖深度约15m，基坑外侧的潜水静止水位约7．5m，其土质为岩石层，其岩土工程勘测报告如表1所示。基坑周围环境开阔简单，其北侧有地下管线，其管壁厚度约0．05m，管道直径为1．2m，密度约为7900kg/m弹性模量E = 200GPa，泊松比为0．3。其地下管线与基坑齐平的走向，管线的中心埋深为2．8m，与基坑边缘约5．8m，降水平面布置图如图1所示。

检测方案

将地下水位检测点的位置布置如图2 所示，其中SW1～SW9 属于基坑内的水位监测井，SW10～SW12 属于基坑外的水位监测井，通过地下管线竖向位移监测的实际情况，一共布设了8 个地下管线监测点，监测点之间的距离约为18m，如图3所示。

数值分析模式设计

模型计算

当水位降到基坑底1m的位置时，通过H．S可得水位实际下降值Sw为8m，其含水的厚度M为28m。由于沉降不均匀而导致剪切变形会导致土体沉降新调整与邻近土体扩散，伴随其间距的增大而对其影响数值趋向于零，将其沉降区的影响范围选取在158m内，通过图1所示，其降水井与相邻管线的投影线段长度约120m，将降水区域长度选择为120m，其基坑的降水平面图如图4所示。

土层的力学计算

参数的取值如表1所示，采用土体材料的塑性屈服都使用Drucker-Prage标准，以实际经验为基础，将自重应力的土层压缩取为5倍。其管线与土壤之间的相互作用经过主从的接触面来实现，采用硬接触的法向接触方式，其摩擦系数取值为0．25。

数值分析模型验证

降水深度模型验证

基坑开挖过程中，基坑降水是一种动态变化的过程，当开始降水后，其周围一定范围内的地下水位就会逐步的降低，降水达到其稳定的程度后，其降水的曲线也会保持不变，从而形成一个降水漏斗的曲线。利用抽水的措施会导致土体中空隙的水压被外力而进行重新分布，临近基坑附近范围内的水位大幅度下降，从而呈现出不饱和的负压状态。

管线沉降分布模型验证

当距离坐标的原点增大，管线的沉降量会逐渐减小，符合施工的实际情况。其数值的计算结果证明，管线沉降的最大点位置是原点处，最大沉降值是21．69mm。当管线实测沉降值和数值模拟的结果相接近，其对比结果如图5 所示。也证明了利用ABAQUS软件对基坑降水所导致的地下管线不均衡沉降有可行性，两者之间的差异主要原因是模型中考虑了均质的土层，与施工的实际情况有一定的差距，同时管线沉降监测本身也存在一定范围的误差。

降水导致的地下管线变形损伤预测

地下管线的沉降梯度

要有效预测地下管线变形是否控制在合理的范围内，就对地下管线的沉降梯度进行确定。借助环带分析法进行直角的坐标建立，将管线的一个端点作为其原点，将地下管线的纵向当成x 轴，将管线竖向进行位移的方向当成y 轴，则形成了沉降都管线的直角坐标图，如图6 所示。

地下管线变形控制的标准

现阶段中，工程界还未形成地下管线控制的统一标准，进行实际工程施工过程中，通常是参考之前施工项目的实际案例来确定的。不同的标准和规范对接口形式的沉降梯度有不一样的允许值，本文只选择了柔性管线沉降梯度的规定。充分的考虑安全方面的因素，将管线沉降梯度的安全值选取1‰的标准，将2‰当成破坏值。

结语

通过工程实际案例，借助软件ABAQUS 对地下管线沉降分布与降水位的空间分布进行了验证，证明了基坑降水所导致的地下管线破坏程度与沉降梯度紧密相关，可将两者的关系通过S 曲线来进行表达，从而利用管线的最大沉降度对邻近基坑降水中的损伤程度进行预测，本文所预测的是柔性接口的地下管线，对刚性接口或者其他的管线还需要进行深入的研究。