程 濤， 許萬輝， 胡仁杰， 余宗源

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 黃石 435003；3.咸寧高新投資集團(tuán)有限公司， 湖北 咸寧 437099)

深基坑開挖引起鄰近管線位移影響的數(shù)值分析

程 濤1,2， 許萬輝1,2， 胡仁杰1,2， 余宗源3

(1.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002； 2.湖北理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 黃石 435003；
3.咸寧高新投資集團(tuán)有限公司， 湖北 咸寧 437099)

基于彈塑性平面應(yīng)變有限元方法，分析了某大型深基坑開挖過程中臨近管線的位移變化規(guī)律?；贏baqus軟件，引入莫爾-庫倫為屈服準(zhǔn)則的本構(gòu)模型，采用平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)單元形式，利用單元生死功能模擬基坑開挖全過程，以計(jì)算基坑開挖過程中周邊煤氣管、配水管位移變動(dòng)情況，并和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值的規(guī)律一致，驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性。在此基礎(chǔ)上，分別分析了內(nèi)支撐、樁體剛度以及表面堆載對(duì)管線位移的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：內(nèi)支撐對(duì)控制基坑周邊管線位移起著極其關(guān)鍵的作用；隨著樁體剛度的增大，管線沉降會(huì)逐漸減?。槐砻娑演d的增大，則會(huì)導(dǎo)致管線位移的增大，但是后兩個(gè)因素的影響相對(duì)不顯著。

深基坑； 彈塑性； 平面應(yīng)變； 管線位移； 內(nèi)支撐； 樁體剛度； 表面堆載

深基坑工程起源由來已久，直至20世紀(jì)90年代以后在鐵道工程和建筑工程中才得以盛行[1]。在深基坑工程發(fā)展過程中，眾多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行過多方面的研究[2～5]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展，數(shù)值分析已成為工程領(lǐng)域中必不可少的手段，而它在基坑工程中的應(yīng)用[6～8]也隨即興起。作為城市的生命線工程——管線工程，基坑開挖引起的安全隱患不容忽視，為了準(zhǔn)確分析基坑周邊管線位移，并對(duì)其實(shí)施必要安全管控，經(jīng)過數(shù)值仿真計(jì)算掌握管線位移變化規(guī)律顯得尤為重要。Crofts等[9]提出了一種針對(duì)由基坑開挖引起的鄰近地下管線水平位移估算方法；蔡建鵬等[10]通過統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)曲線,提出了基坑開挖對(duì)地下管線影響的DCFEM分析法；張海林等[11]采用Ansys軟件建立了三維有限元模型,研究了深基坑開挖對(duì)周邊地下管線的影響；李佳川等[12]采用空間8節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)等參單元來研宄開挖的空間效應(yīng),研究了管線的沉降分布規(guī)律,探討了地下基坑開挖與縱向地下管線保護(hù)。

本文針對(duì)上海某深基坑工程實(shí)例，運(yùn)用Abaqus有限元大型通用軟件，簡化基坑計(jì)算模型，利用軟件中的單元生死功能，模擬基坑開挖全過程，以計(jì)算開挖過程中周邊煤氣管、配水管的位移變化情況，并和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，分別分析內(nèi)支撐，樁體剛度以及面荷載對(duì)管線位移的影響規(guī)律，為基坑安全有序施工提供有效的技術(shù)支持。

1 工程概況

1.1 場(chǎng)地概況

工程位于上海市嘉定區(qū)，北臨曹安公路，西近A20公路，場(chǎng)地地理位置示意圖如圖1所示。場(chǎng)地地貌屬于上海地區(qū)四大地貌單元中的濱海平原類型，地形較平坦。擬建場(chǎng)地地基土均屬第四紀(jì)松散沉積物，勘察90.0 m深度范圍內(nèi)揭露的地基土，按其結(jié)構(gòu)特征、時(shí)代成因和物理力學(xué)性質(zhì)可劃分為7層及所屬亞層。場(chǎng)地淺部土層中的地下水屬于潛水類型，其水位動(dòng)態(tài)變化主要受控于大氣降水和鄰近地表水體，地下水位埋深一般為 0.3～1.5 m，年平均水位為 0.5～0.7 m，低水位為1.5 m。

圖1 基坑場(chǎng)地平面概況

1.2 基坑概況

本基坑工程開挖深度為15.20 m(主樓為15.9 m)，開挖面積為37130 m2，整體基坑近似呈“手槍型”，形狀不規(guī)則，基坑場(chǎng)地平面概況如圖1所示。場(chǎng)地東北側(cè)鄰近某國際商城，東南側(cè)鄰近某購物中心，南側(cè)鄰近某河流，河寬15～16 m，西側(cè)為空地，場(chǎng)地北側(cè)臨近某公路，該公路下分布8條管線，分別為1條煤氣管線、6條信息管線、1條配水管線。根據(jù)基坑周邊環(huán)境，基坑安全性評(píng)估中需要重點(diǎn)考慮保護(hù)對(duì)象為基坑周邊管線。本次計(jì)算選擇基坑周邊管線位移為分析對(duì)象，其中，以基坑北側(cè)煤氣管及配水管為例。管線規(guī)格及與基坑相對(duì)位置如表1所示?；泳S護(hù)結(jié)構(gòu)組成成份包括：鉆孔灌注樁、止水帷幕、鋼筋混凝土支撐和立柱等，其中基坑開挖主撐尺寸分別為1200 mm×800 mm、1400 mm×800 mm、1300 mm×800 mm，鉆孔灌注樁及支撐的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)均為C30，立柱距離北側(cè)基坑邊緣大約30 m。

表1 管線規(guī)格及與基坑相對(duì)位置

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的簡化

為分析基坑開挖對(duì)北側(cè)公路下煤氣管及配水管位移的影響規(guī)律，綜合考慮分析問題的合理性、計(jì)算速度和模型規(guī)模，此計(jì)算采取二維有限元平面應(yīng)變模型進(jìn)行分析。其中，模型尺寸取150 m×57 m的長方體，基坑開挖寬度為立柱到基坑邊緣30 m范圍，基坑開挖深度為15.2 m，鉆孔灌注樁長度為35.2 m，基坑設(shè)計(jì)水位按地面下0.5 m考慮。由于施工外加荷載原因，考慮基坑周邊20 kPa的面荷載?；娱_挖剖面示意圖如2所示。

圖2 基坑剖面示意/m

基坑開挖分四道開挖，三道支撐，具體實(shí)施步驟如下：

(1)基坑開挖至地面下1.9 m；

(2)施工第一道鋼砼支撐體系，軸線埋深為1.5 m；

(3)基坑開挖至地面下7.9 m；

(4)施工第二道鋼砼支撐體系，軸線埋深7.5 m；

(5)基坑開挖至地面下12.6 m；

(6)施工第三道鋼砼支撐體系，軸線埋深為12.2 m；

(7)基坑開挖至坑底(地面下15.2 m)。

2.2 模型參數(shù)

模型計(jì)算中，模型計(jì)算的邊界約束條件假設(shè)為左右兩側(cè)邊界不發(fā)生水平位移，下部邊界不發(fā)生水平和垂直位移，上部邊界為自由邊界。土體采用Mohr-Coulomb為屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)模型，由于基坑開挖過程中土體是屬于卸荷的過程，實(shí)際基坑開挖的彈性模量比壓縮模量要大[13]，此處取1.5倍壓縮模量作為計(jì)算土體的彈性模量。土的側(cè)壓力系數(shù)k和泊松比μ分別可以根據(jù)公式k=1-sinφ(φ有效內(nèi)摩擦角)和μ=k/(1+k)計(jì)算得出[14]，具體土層劃分及其相關(guān)物理參數(shù)如表2所示。鉆孔灌注樁和內(nèi)支撐假定為均勻彈性體，考慮灌注樁的間距折減，取其彈性模量為20 GPa。樁和土之間接觸形式為考慮摩擦系數(shù)為0.8的硬接觸，支撐和樁之間采用綁定約束?？紤]到本文中基坑的側(cè)邊長都很長(相對(duì)于斷面而言)，只在計(jì)算斷面內(nèi)有應(yīng)變，與該面垂直方向的應(yīng)變可忽略。因此本文建模選用平面應(yīng)變分析方法來簡化計(jì)算，將模型劃分為36312個(gè)單元，模型統(tǒng)一采用平面應(yīng)變四節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(簡稱CPE4單元)形式。利用Abaqus單元生死功能模擬基坑開挖過程中，考慮水對(duì)初始應(yīng)力的影響，最終將模擬過程分為七個(gè)荷載步：(1)初始應(yīng)力平衡；(2)面荷載的施加；(3)樁體的激活；(4)開挖第一層土體并施加第一道支撐；(5)開挖第二層土體并施加第二道支撐；(6)開挖第三層土體并施加第三道支撐；(7)開挖第四層土體，計(jì)算完畢。

表2 土層劃分及其物理參數(shù)

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

整理公路北側(cè)煤氣管與配水管的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別對(duì)比煤氣管和配水管在七個(gè)荷載步下垂直位移實(shí)測(cè)值和計(jì)算值的變化規(guī)律，如圖3、4所示。

從圖3中可以清晰的看出，煤氣管垂直位移的計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值位移變化趨勢(shì)是一致的，且它們最終沉降值較接近，其中實(shí)測(cè)值為87 mm，而計(jì)算值為86 mm。圖4顯示，配水管垂直位移計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的位移變化趨勢(shì)也大致相同，只是配水管垂直位移最終計(jì)算值比監(jiān)測(cè)值稍大，絕對(duì)誤差約6 mm，根據(jù)GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[15]，此值在工程安全誤差控制范圍之內(nèi)。圖3、4都體現(xiàn)了管線的豎向位移主要是由基坑開挖卸載過程引起的，這遵循了卸荷引起變形的規(guī)律，較易理解。從圖中還可以看出，在三段開挖和支撐的分步過程中，下降速率的實(shí)測(cè)值變化平緩而計(jì)算值更均勻、連續(xù)，這是由于實(shí)際工程中三段開挖和支撐工序是連續(xù)完成的，時(shí)間間隔較短，每一道工序下的變形還沒完全穩(wěn)定即進(jìn)入到下一道工序，而計(jì)算分析是按照每一荷載步穩(wěn)定之后才進(jìn)入下一荷載步計(jì)算，變形釋放更完全，因此，造成了圖中在4～6荷載步中計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的偏離，但是隨著所有荷載步完成，所有工程變形完全釋放，兩者的結(jié)果十分接近，這也充分證明了計(jì)算的有效性和穩(wěn)定性，可以較真實(shí)地模擬實(shí)際工況，達(dá)到較好的分析效果，以供對(duì)比參考。圖3、4對(duì)比可知，配水管的最終豎向位移比煤氣管小，這是由于配水管線離基坑邊緣距離相對(duì)較大所導(dǎo)致的，這一規(guī)律也與實(shí)際情況相符。

圖3 煤氣管垂直位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化曲線

圖4 配水管垂直位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值變化曲線

2.3.2 計(jì)算結(jié)果延展

以上監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析，很好的體現(xiàn)了數(shù)值計(jì)算的有效性，為了更詳細(xì)說明基坑開挖對(duì)管線位移變化的影響，此處對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)延展和說明。對(duì)于埋深較淺地下管線，地表豎向位移的變化情況可以從側(cè)面反映其位移變化規(guī)律，第四開挖步中基坑周邊地表垂直位移變化曲線如圖5所示。圖5中R1表示開挖第一層土體并施加第一道支撐；R2表示開挖第二層土體并施加第二道支撐；R3表示開挖第三層土體并施加第三道支撐；R4表示開挖第四層土體。從圖5可以看出:距離基坑邊緣4 m范圍內(nèi)的土體有小幅度隆起現(xiàn)象，這是由于基坑開挖導(dǎo)致土體自重應(yīng)力的釋放從而引起土體向上回彈；距離基坑邊緣10～70 m范圍內(nèi)地表沉降明顯，其中在大約30 m的地方地表沉降達(dá)到最大值；而距離基坑100 m以外，地表位移變化幾乎為零。從表1可知，煤氣管距離基坑邊緣25.2 m，配水管距離基坑邊緣58 m，由地表沉降規(guī)律再次體現(xiàn)了配水管最終的垂直位移小于煤氣管。從圖中還可以看出，隨著基坑開挖的推進(jìn)，地表沉降逐步變大，其中，第二步開挖(即第五荷載步)的整個(gè)過程中地表沉降最大，這與第二步開挖深度為第四開挖步中最大是相符的。

圖5 第四開挖步中基坑周邊地表垂直位移變化曲線

圖6為煤氣管與配水管水平位移計(jì)算值的變化趨勢(shì)圖，圖中顯示，煤氣管和配水管的水平位移隨著荷載步的進(jìn)行呈逐漸增大趨勢(shì)，符合位移變化規(guī)律。此外，基坑開挖的前四個(gè)荷載步中，煤氣管的水平位移大于配水管的水平位移，而在基坑開挖第二步過程中，配水管的水平位移逐漸超過煤氣管的水平位移。經(jīng)過分析可知，在基坑開挖前期階段，基坑周邊環(huán)境受到的干擾還相對(duì)較小，由于煤氣管離基坑邊緣較近，因此它的水平位移大于配水管水平位移是比較合理的；在基坑開挖后期階段，隨著開挖繼續(xù)，基坑釋放的應(yīng)力逐漸變大，加上內(nèi)支撐的作用，致使維護(hù)樁體的大變形區(qū)域向它下半段轉(zhuǎn)移，而這也影響了基坑周邊土體的整體位移分布情況，最終導(dǎo)致了距離基坑邊緣較遠(yuǎn)的配水管水平位移大于距離基坑邊緣較近的煤氣管水平位移。

圖6 管線水平位移計(jì)算值變化曲線

3 管線位移變化規(guī)律

為進(jìn)一步體現(xiàn)基坑開挖對(duì)鄰近管線位移的影響規(guī)律，以上述基坑開挖模型為基礎(chǔ)，定量研究了基坑開挖引起的周邊管線位移變化與其內(nèi)支撐、維護(hù)樁體剛度以及地表荷載之間的關(guān)系。

3.1 內(nèi)支撐對(duì)管線位移變化影響

眾所周知，內(nèi)支撐作為基坑開挖維護(hù)結(jié)構(gòu)之一所起的作用極其關(guān)鍵。在保持模型其他參數(shù)不變的情況下，分別通過對(duì)有內(nèi)支撐和無內(nèi)支撐情況下的基坑開挖過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出有、無內(nèi)支撐情況下煤氣管與配水管垂直位移的變化規(guī)律曲線圖，如圖7、8所示。從圖中可以看出，在基坑開挖步還沒開始之前，有內(nèi)撐與無內(nèi)撐情況下煤氣管和配水管的垂直位移是完全相同的，但是，從荷載步第四步即基坑的第一開挖步開始，管線垂直位移在無內(nèi)支撐情況下要大于有內(nèi)支撐情況，并且隨著基坑開挖步的繼續(xù)進(jìn)行，它們位移的偏差也逐漸擴(kuò)大，該現(xiàn)象有力地凸顯了內(nèi)支撐對(duì)于基坑開挖變形的控制作用。按照實(shí)際施工工序情況，由于內(nèi)支撐在基坑開挖之后才開始施工，所以它對(duì)之前的工序并不產(chǎn)生任何作用，因此，出現(xiàn)了在荷載步第四步開始之前，有、無內(nèi)支撐對(duì)管線垂直位移并未產(chǎn)生影響的現(xiàn)象也就不足為奇了。細(xì)細(xì)觀察圖7、8，還可看出，在有內(nèi)支撐情況下，隨著開挖步的進(jìn)行管線位移下降速率逐漸變小，而在無內(nèi)支撐的情況下管線位移下降速率則逐漸變大，這不僅體現(xiàn)了內(nèi)支撐對(duì)基坑周邊管線位移控制的重要性，而且還說明了隨著基坑開挖深度加大，對(duì)基坑周邊管線位移的影響也將會(huì)增大。

圖7 有無內(nèi)撐情況下煤氣管線垂直位移變化曲線

圖8 有無內(nèi)撐情況下配水管線垂直位移變化曲線

3.2 樁體剛度對(duì)管線位移變化影響

為了了解管線位移與維護(hù)樁體剛度之間的關(guān)系，同理，保持模型其他參數(shù)不變，分別取樁體的彈性模量為10、20、30、40 GPa，對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行模擬計(jì)算。得出不同樁體剛度下煤氣管，配水管垂直位移變化曲線如圖9、10所示。

圖9 不同樁體剛度下煤氣管線垂直位移變化曲線

圖10 不同樁體剛度下配水管線垂直位移變化曲線

圖9、10均顯示，在前三個(gè)荷載分析步中，樁體剛度變化對(duì)管線位移的變化影響不大，它對(duì)管線位移的影響主要是在基坑開挖過程的后四步有較明顯區(qū)別，這表明基坑還沒開挖前，管線沉降是不受樁體剛度影響的，這與真實(shí)情況相符。從上圖還可以看出，隨著后四步荷載步的推進(jìn)，累計(jì)沉降偏差在逐漸變大，這說明在基坑每一個(gè)開挖步過程中，管線垂直位移都隨樁體剛度的減小而有所增大，由于增大值的累計(jì)，才出現(xiàn)如圖中累計(jì)沉降差異逐漸擴(kuò)大的現(xiàn)象，它從側(cè)面體現(xiàn)了樁體剛度對(duì)控制位移變化的重要作用，因此，為了合理經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)施工，必須選擇合適的樁體剛度。

3.3 地面荷載對(duì)管線位移變化影響

地面荷載作為基坑開挖工程中不可忽略的影響因素，它的改變對(duì)管線位移影響規(guī)律也必定受到關(guān)注?；谝陨夏Ｐ蛥?shù)，分別變化面荷載為10、15、20、25 kPa，模擬基坑開挖過程，得出不同面荷載下煤氣管和配水管垂直位移變化曲線如圖11、12所示。

圖11 不同面荷載下煤氣管線垂直位移變化曲線

圖12 不同面荷載下配水管線垂直位移變化曲線

從圖中看出，隨著地面荷載增大，除初始地應(yīng)力平衡荷載步到施加地面荷載步之間，管線位移有明顯的變化，在其他荷載步中管線位移基本處于平行狀態(tài)，即荷載對(duì)基坑開挖的影響在施加面荷載的那一步已經(jīng)得到了充分體現(xiàn)，而對(duì)后續(xù)荷載步所引起管線位移的變化不大。事實(shí)上，這是由于地面荷載從施工開始就貫穿工程整個(gè)過程，它對(duì)基坑開挖的每一步都造成了影響。因此，對(duì)于深基坑工程來講，面荷載大小的確定，也極其關(guān)鍵和重要。

4 結(jié) 論

(1)運(yùn)用平面應(yīng)變彈塑性有限元簡化計(jì)算基坑開挖引起管線變形問題，通過與實(shí)測(cè)對(duì)比，有較好的分析效果，計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值比較接近，其中，煤氣管和配水管的位移計(jì)算值和實(shí)際監(jiān)測(cè)值都隨著開挖步的推進(jìn)而逐漸變大，而它們的水平位移在基坑的第二步開挖過程中有個(gè)交替變化的過程。

(2)鄰近基坑邊緣4 m范圍內(nèi)土體有一定的隆起現(xiàn)象，在距離基坑4～100 m范圍內(nèi)地表有沉降，其中10～70 m范圍內(nèi)地表沉降相對(duì)明顯，距離基坑100 m以外，地面位移變化幾乎為零。

(3)在基坑開挖過程中，內(nèi)支撐對(duì)維護(hù)基坑穩(wěn)定起著極其關(guān)鍵的作用；隨著樁體剛度增大，管線的沉降會(huì)逐漸減?。幻婧奢d增大，則會(huì)導(dǎo)致管線位移的增大。但是，后兩者都沒有內(nèi)支撐的影響顯著。因此，在基坑維護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮內(nèi)支撐，樁體剛度以及面荷載對(duì)周邊管線的影響，以使深基坑工程更經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行。

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Numerical Analysis for the Displacements of the Adjacent Pipeline Caused by a Deep Foundation Pit Excavation

CHENGTao1,2,XUWan-hui1,2,HURen-jie1,2,YUZong-yuan3

(1.College of Civil Engineering and Arcitectiure, China Three Gorges University, Yichang 443002, China；2.School of Civil Engineering and Arcitectiure， Hubei Polytechnic University， Huangshi 435003， China；3.Xianning High-tech Investment Group Co Ltd， Xianning 437099， China)

Base on the elasto-plastic plane strain finite element method, displacements laws of the adjacent pipeline caused by a deep foundation pit excavation are analyzed. The Abaqus software is adopted, Mohr-Coulomb constitutive model and CPE4 element type are introduced. The function of model changing and removing is applied to simulate the displacements laws of gas pipeline and water distribution pipeline during the whole excavation process. Then the computation results are compared with the real-time monitoring data. The results show that the calculated values are close to the monitoring values. Furthermore, the influence rules of the support styles, pile stiffness, surface load for displacements of the pipelines are analyzed respectively. It is shown that the support plays a critical role in the displacement of foundation pit surrounding pipeline. The settlements of pipeline will gradually decrease with the increasing stiffness of pile, while increase with the increasing surface load. But the last two factors are not as remarkable as the first factor.

deep excavation; elasto-plastic; plane strain; pipeline displacements; support; pile stiffness; surface load

2016-01-24

2016-04-07

程 濤(1975-)，男，湖北鄂州人，教授，博士，研究方向?yàn)閹r土本構(gòu)關(guān)系、巖土流固耦合仿真分析以及工礦廢棄物資源化(Email：chthust@163.com)

湖北省自然科學(xué)基金(2012FKC14201)；湖北省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(D20134401)；湖北理工學(xué)院優(yōu)秀中青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(Y0008)

TU441+.6

A

2095-0985(2016)06-0016-06