深基坑施工与地下管线变化率的数值模拟分析

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摘要：建立了基坑开挖对周边地下管线影响的三维有限元模型，对周边管线的土体变形情况、影响部位、管线变形率等进行了数值分析，并结合工程实测数据得出了对管线保护、基坑开挖施工有一定理论意义的结论

关键词：基坑开挖；管线变形率；数值模拟

中图分类号：TV551文献标识码： A

1 前言

随着我国城市化过程中大量地下结构工程的不断开发与利用，深基坑工程数量与规模的不断增加，相应的基坑工程止水、降排水、临近建筑的监测与保护及地下管线设施等的安全问题越来越突出。近年来，深基坑开挖导致的工程事故不断发生，不仅给人们带来了巨大的经济损失，而且造成了不良的社会影响。

本文通过数值模拟结合实测数据分析的方法，研究基坑开挖对周边管线水平位移变形率和沉降变形率的影响情况。在实际工程中可以对地下管线的保护措施及保护部位的确定提供一定的理论依据。

2 工程实例与实测数据分析

2.1工程概况

该工程用地面积为37860 m2，地下部分共四层，开挖深度20.8 m左右，电梯井开挖深度约23.8 m。基坑支护采用钻孔灌注桩结合三道钢筋砼内支撑的基坑围护体系（局部增设岩石锚杆增加围护桩端稳定性），排桩外设置1排三轴水泥搅拌桩止水帷幕(局部为高压旋喷桩止水帷幕)。

本工程周边地下管线复杂，且部分线路距离基坑边缘非常近，东面紧临基坑边新修1条10 kV高压线电缆沟，基坑开挖对其极为敏感。影响本工程基坑开挖最主要的市政管线包括电力管沟、给水管、雨水管、污水管等。

2.2地下管线监测

为确保东侧管线的安全，特在东侧加密沉降位移监测点，共设置12个测点。管线位置检测点GX1-GX12。其管线累计最大竖向位移如表2.1所示。从表2.1可看出：管线竖向最大位移沿着基坑边缘向基坑中心有逐渐变大的趋势，这说明基坑最大水平位移处即基坑边缘最大沉降位置处，该位置最容易导致周边管线的破坏。监测点随基坑开挖的沉降变化情况如图2.1所示。

由图2.1可以看出，随着基坑的开挖，从监测点的高程值变化可以看出管线竖向位移变化值由基坑转角点向基坑中心逐渐增大。

3 基于有限元的数值模拟分析

3.1计算模型的建立

本工程基坑的主要特点是深、大、平面复杂，基坑周边地下管线极其复杂。考虑到计算机计算能力、计算时间等各方面因素，在确保数值模拟结果的合理可靠的前提下，对整个计算模型进行一定的简化。

本次模拟主要是研究基坑开挖对邻近地下管线的变形影响，地下管线位于该工程东侧短边方向。本模型选取了该工程的四个分区的其中之一个进行施工模拟，将整个不规则平面简化为一长方体，管线布置在模型的长边方向。基坑开挖模型尺寸取为长80 m、宽60 m、深20.8 m。整个土体计算模型开挖平面自开挖边界向外各延伸50 m、深度方向为50 m。模型及网格划分如图3.1所示，围护结构及支撑网格划分如图3.2所示，而模型的荷载及边界条件设置如图3.3所示。

3.2 围护桩水平位移和空间效应 基坑开挖完成后桩体水平位移云图如图3.4所示。开挖到12 m处围护桩水平位移数据如图3.5所示。从图中可看出：最大水平位移位置随着开挖步的增加而逐渐下移。基坑开挖完成后桩y方向的最大水平位移为19.7 mm，最大水平位移位置出现在-5 m左右(如图3.4a图)。x方向的最大水平位移为17 mm，最大水平位移位置出现在-5 m左右(如图3.4b图)。

从x方向和y方向的最大水平位移对比，可以发现x短边方向的位移明显较y长边方向的水平位移小。而在基坑的转角位置处，两个方向的水平位移都较小，因而对于矩形基坑，空间效应更加明显。

3.3基坑周边土体水平位移影响范围

图3.6为基坑开挖后的基坑周边土体水平位移影响范围。从图中可看出土体的水平位移与桩的水平位移变形是协调的，土体水平位移变形值在10-3黄色区域距离基坑边缘15~20 m，水平位移变形值在10-4为距离基坑边缘20 m以外，开挖到10 m左右基坑周边土体影响范围为20 m，约2倍开挖深度。当开挖到坑底20 m时，基坑周边土体影响范围约35~40 m。

3.4基坑周边地表沉降

图3.7为基坑开挖后周边地表的沉降与抛物线型沉降对比。从图中可看出，本次数值模拟的排桩加内支撑支护体系的周边地表沉降比较符合抛物线型的变化规率。

3.5 基坑隆起变形

图3.8为基坑开挖完成后坑底隆起云图。因本次数值模拟计算的基坑面积较小，基坑坑底隆起呈现出弹性隆起，最大隆起量为45 mm，最大隆起点位移基坑中间。

从上述数值模拟结果可看出，本次数值分析的结果比较符合基坑开挖的变形规律，可为基坑开挖对周边地下管线的影响分析提供参考，该数值分析方法用于分析基坑开挖对地下管线的影响效果是可行的。

3.6基坑开挖对周边地下管线的影响分析

3.6.1基坑开挖对周边管线水平位移变化率的影响

图3.9、图3.10中0~15和45~60为基坑边缘以外管线，15~45为基坑边缘的管线。从图中可看出：随着基坑的开挖，管线最大水平位移逐渐增大，在加设支撑的前后，管线水平位移有增大的趋势。因而，在施工过程中应减小未支护前基坑暴露的时间，以减小周边管线的变形。管线的最大水平位移出现在基坑边缘中点位置，而水平位移的变化值呈现出缓慢增加到迅速增加，再缓慢增加的趋势。

图3.11的数据结果显示，基坑周边管线水平位移变化率在10%以内的为距离基坑边缘中心一定范围内以及基坑边缘以外的位置，管线的变形率较小；而在基坑边缘两端的管线水平位移变化率均大于10%，属于管线变形率较大的位置。因此，对该位置处应当重点监测，并采取主动的加固保护措施，以减小管线的变形率。

3.6.2基坑开挖对周边管线沉降变化率的影响

图3.12-图3.13中的0~15和45~60为基坑边缘以外管线，而15~45为基坑边缘的管线。从图中可看出：随着基坑的开挖，管线最大沉降变形逐渐增大，管线的最大沉降变形值出现在基坑边缘中点位置，沉降变形值呈现缓慢增加到迅速增加，再缓慢增加的趋势。

从图3.13可看出：基坑周边管线沉降变形率在10%以内的为距离基坑边缘中心一定范围内以及基坑边缘以外的位置，管线的变形率较小；在基坑边缘两端的管线沉降变形率均大于10%，属于管线变形率较大的位置。因而对该位置处应当重点监测，并采取主动的加固保护措施，以减小管线的变形率。

4 结论

通过数值分析方法研究了基坑开挖对周边环境和地下管线的影响情况。结果表明：① 采用数值模拟分析的方法所得的基坑变形规律与前人结果吻合较好。围护桩体的水平位移为组合位移形式，地表的沉降为抛物线型，坑底的隆起为弹性隆起，与实际情况符合较好。② 随着基坑的开挖，管线最大水平和沉降变形逐渐增大，管线的最大水平位移和沉降变形值出现在基坑边缘中点位置，水平位移和沉降变形值呈现出缓慢增加到迅速增加，再缓慢增加的趋势。基坑周边管线水平位移和沉降变形率在10%以内的为距离基坑边缘中心一定范围内以及基坑边缘以外的位置，管线的变形率较小；在基坑边缘两端的管线水平位移和沉降变形率均大于10%，属于管线变形率较大的位置。因而对该位置处应当重点监测，并采取主动的加固保护措施，以减小管线的变形率。