深基坑开挖对周围管线变形的影响研究

李 杰

(中铁十八局集团 北京工程有限公司，北京 100162 )

目前，已有许多学者针对基坑开挖展开研究。姜峥[1]针对基坑开挖对邻近管线变形进行了理论计算推导。姚燕明等[2]根据残余应力法原理和分层回弹总和法计算了基坑开挖对管线变形的变形影响。马银阁等[3]采用MIDAS 软件针对深基坑开挖进行了数值模拟研究。吴峥[4]以杭州市污水管段工程为背景，采用ABAQUS 软件进行数值模拟，建立了三维有限元模型，研究了基坑开挖对下卧管线的不利影响。郜新军等[5]为了研究基坑开挖对邻近地下管线的变形影响，建立三维实体数值模型分析了变化规律。蔡浩明[6]采用PLAXIS 3D有限元软件对富水地层的深基坑降水施工对周围管线的影响建立数值模型，并实测数据进行对比验证模型的合理性。王立峰等[7]收集多个实际地铁施工案例的实测数据从统计学的角度分析了基坑开挖对周边管线的影响。以上研究表明，较多的研究集中在理论推导和数值建模分析上，理论推导和数值建模都进行了相应的简化，虽然具有一定的指导意义，但是准确性仍需进一步检验。本研究基于实际基坑开挖项目对周边管线进行了竖向变形监测，分析了不同周边管线的沉降变化规律，为类似深基坑开挖项目提供指导。

1 项目概况

工程周边为市政路，北侧为河流。场区内地形有一定起伏，西北较高，东南较低，自然地面标高为21.21～23.80 m，基坑设计标高按照整平后的地面标高23.00～23.50 m考虑。工程深基坑平均深度为16.19 m，局部开挖深度达23.09 m。该深基坑支护体系作为临时支护的设计使用期限为12个月；基坑安全等级设定一级，重要性系数为γ0=1.1，其支护体系设计形式为“上部2.0 m挡土墙+护坡桩+预应力锚杆”。护坡桩的设计长度范围为21～25 m，把3～5道预应力锚杆布置设计在护坡桩之间。

2 深基坑四周管线沉降监测

为了研究基坑开挖对周边管线的变形影响，对周边管线进行实时监测，其总体监测点布置和局部放大区域如图1所示，其中，分析监测点的布置在第3部分中给出。

图1 监测点布置及局部放大图

2.1 设置监测点

通过钻具成孔的方式设置监测点，详细步骤为：(1)开挖深度不小于3 m、半径约为40 mm的孔洞；(2)将孔洞的底部夯实；(3)清理废渣土，同时向孔洞内注入适量水进行养护；(4)灌入标号大于等于C20的混凝土，并震动使之密实，并且使混凝土顶面距地表保持在5 cm左右；(5)在孔中心置入长度大于等于80 cm的钢筋标志，露出混凝土面1～2 cm；(6)上部加装钢制保护盖；(7)甚少养护半个月时间。如图2所示。

图2 地表观监测点埋设形式图(mm)

2.2 监测方法及数据采集

采用几何水准测量方法进行沉降监测，借助TrimbleDINI03电子水准仪进行观测，另外通过该仪器自带记录程序对监测数据进行详细记录。根据《工程测量规范》(GB50026-2007)[8]，通过二等竖向位移监测网技术手段进行全面地详细观测，详细技术指标和细则详见该《规范》中的表10.3.3。

表1 LogNormal 参数拟合结果

3 相关监测结果及技术分析

首先将所监测的数据进行整合，出现明显监测错误的监测点不用于分析，如G5监测点，如图3所示。同时鉴于篇幅有限，只分析两个方向(基坑的西侧和南侧)的监测点，总共有14个监测点，其中位于基坑南侧的监测点有8个，分别是G3、G4、G6、G7、G8、G9、G11和G10；位于基坑西侧的监测点有6个，分别为G14、G15、G16、G17、G20和G21。对于基坑南侧的监测点，其开挖深度如图4所示，周围管线离基坑距离依次变远且东西分布的分别有燃气管线(G6、G9和G10)和直径1 m的污水管线(G3、G7、G8和G11)，其中，G4属于更远处的南北分布的燃气管线的一个监测点。对于基坑西侧的监测点，其开挖深度如图5所示，周围管线离基坑距离依次变远且南北分布的分别有2. 6 m×2.9 m的电力管沟(G15和G17)、燃气管线(G14和G16)、直径1 m的雨水管线(G21)和直径1.4 m的雨水管线(G21)。

图3 G5监测点不同时间下的高程值

图6 基坑西侧开挖深度

3.1 各监测点沉降分析

根据14个监测点随时间的沉降变化，分析各监测点的沉降变化差异。图5可见，在基坑开挖的前段时间，各监测点的累计沉降量是逐渐增加的，只是沉降量值的大小不同。当开挖1个月左右时，各监测点的累计沉降量出现波动，之后的10 d左右时间内，大部分监测点出现累计沉降量减小的趋势，说明此时周边管线处有凸起的情况，很有可能是由于开挖到一定深度，预应力锚杆等支护措施使地基土受到挤压造成的，这种情况对周边管线是有利的。在此之后，除个别监测点的累计沉降量出现增加或减小的情况，大部分监测点的累计沉降量呈现一定的增加并几乎趋于稳定。在所有监测点中，位于基坑西侧燃气管道处的G16监测点的累计沉降量最大，位于基坑南侧直径1 m的污水管线处的G11监测点的累计沉降量最小。

其次，从图7可见，当各监测点累计沉降量处于平稳缓慢波动时，5个黑色虚线框内各监测点的变化趋势分别类似，其中细节分析见下文。

图7 相关监测点的累计沉降量

3.2 同一管线的沉降变化

直径为1 m的污水管线和燃气管线上的监测点累计沉降量如图8所示。图8(a)中，两条管线都是中间位置沉降量大，两侧沉降量小。图8(b)中，两条周边管线的两个监测点累计沉降量大的均离中轴线更近，也说明了中间位置沉降量大，两侧沉降量小的规律。直径为1 m的污水管线上的G3监测点位于管线一侧，但是该监测点的累计沉降量较大，几乎接近中间位置监测点的沉降量，这对于管线是十分不利的。出现这种情况的主要原因可能是G3监测点相较于其他监测点离基坑更近造成的。燃气管线的3个监测点大约位于中轴线的一侧，G6监测点离中轴线最近，但是G6监测点的沉降量比G9监测点小，主要是G6监测点处基坑的开挖深度12.82 m，而其他两个监测点处的基坑开挖深度是7.72 m，充分说明开挖深度的大小对周边管线具有较大影响。因此，在进行深基坑作业时，特别是较近处存在周边管线时，要对中间部位进行加固处理，比如采用注浆加固、微型桩法及注浆法与微型桩法相结合等方法。此外，在同一工作面存在不同开挖深度时，也应进行加固处理，如果处理不当，会造成由于地基土释放不同的应力而出现较大应力失衡，使周边管线出现不规则沉降，导致较大的工程事故或经济损失。

图8 同一管线沉降变化图

3.3 距离对管线沉降的影响

基坑南侧和西侧的监测点累计沉降数据如图9所示。从图9(a)可以看出，G4监测点具有最小的累计沉降量，主要是因为G4监测点没有位于周边管线处，而是比基坑南侧研究中最远管线(直径为1 m的污水管线)还要多出一定距离，这是十分合理的现象。同时还可以看出，G7和G8监测点(两个监测点均位于直径为1 m的污水管线)的累计沉降量分别大于G6和G9监测点(两个监测点均位于燃气管线)，然而G6和G9监测点分别比G7和G8离基坑的距离更近，这看起来有悖常识。但是出现这种情况也是可解释的，首先G7和G8监测点与G6和G9监测点之间存在一条2.8 m×2.0 m的雨水管沟，该管沟十分靠近G7和G8监测点所在的直径为1 m的污水管线，使这两条管线可能出现了耦合沉降变形。其次，在基坑开挖适合拟采用了“上部2.0 m挡土墙+护坡桩+预应力锚杆”的支护体系，由于预应力的存在抑制了距基坑较近管线的沉降趋势，说明当有周边管线必然与基坑具有较近距离时可以通过施加预应力锚杆的方式解决沉降量大的问题。最后，可能因为相较于燃气管线，污水管线和雨水管沟都较重，施工导致附近出现扰动时，与质量轻的管线相比，质量大的管线会有较大的响应，从而导致沉降量较大。

图9 管线随距离的沉降变化图

从图9(b)可以看出，G14和G16监测点(两个监测点位于燃气管道)的累计乘降量分别大于G15和G17监测点(两个监测点位于2.6 m×2.9 m的电力2管沟)，进一步说明了“上部2.0 m挡土墙+护坡桩+预应力锚杆”支护体系对距离基坑较近的周边管线沉降具有较强的抑制作用。然而，监测点21(位于直径为1 m的雨水管线)的累计沉降量大于监测点20(直径为1.4 m的管线)并且两个监测点均和基坑具有相对较远的距离，同时相较于监测点21，监测点20与基坑具有更远的距离，这是最普遍的情形。

3.4 沉降量依时变化

为了将监测点沉降量随时间的变化进行公式显式化，针对实测数据，尝试多种拟合方式进行拟合，研究结果发现，LogNormal拟合最为符合沉降量走势，除个别特殊情况(累积沉降量出现较大减小)外，其拟合的确定系数R2均大于0.96，具有很高的精度，LogNormal拟合函数的数学表达式如式(1)所示。从公式本身来看，LogNormal拟合函数最终会收敛成一个定值，这与周边管线沉降在基坑开挖完毕后会趋于稳定的规律是吻合的，说明了该函数在进行拟合周边管线随时间的沉降变化具有很高的预测精度的原因。

(1)

鉴于篇幅有限，仅列举了4个监测点的绘图和拟合结果，其中，实测值和LogNormal 拟合值对比图如图10所示，参数拟合结果如表1所示。从图10可以看出，实测值和LogNormal拟合值具有很好的吻合度，其最终的沉降变量趋于稳定。从表1可以看出，不同监测点的LogNormal 参数拟合结果中，xc几乎相等并且w也很相近近乎为0。在调整拟合结果的参数中，不同监测点的参数s0和A是不同的，其中参数A值的变化范围明显较大，并且远大于参数s0(值自身及变化量均较小)，说明参数A调整程度要大于参数s0。在后续研究中，测试不同工况下的沉降变化，着重分析参数A和参数s0的变化规律，对于周边管线沉降变化的公式化具有重要意义。

图10 实测值和LogNormal 拟合值对比图

4 结语

(1)当基坑开挖到1个月左右时，大部分监测点的累计沉降量出现减小趋势，说明此时周边管线处有凸起的情况，很有可能是由于采用预应力锚杆等支护措施使地基土受到挤压造成的，这种情况对周边管线是有利的。(2)通常同一管线都是越靠近中轴线的监测点沉降量越大，离中轴线越远沉降量越小；但是由于同一工作面存在不同开挖深度及同一管线与基坑具有不同距离时，极易造成周边管线的不规则沉降，应采用相应的加固措施，如注浆加固、微型桩法及注浆法与微型桩法相结合等方法。(3)普遍情况下，距离基坑越远的管线具有较小的沉降量，但是当两条或多条管线十分靠近时会出现异常的耦合沉降变形；当支护体系中存在预应力锚杆时，由于预应力的存在可以抑制距基坑较近管线的沉降趋势。(4)利用多种拟合方式对监测点沉降量随时间的变化进行拟合，发现LogNormal拟合最为符合沉降量走势，其拟合的确定系数R2均大于0.96，具有很高的精度。