孟 勝 宏

(上海隧道工程有限公司，上海 200232)

作為浙江沿海某城市，該地區(qū)屬溫黃平原，場(chǎng)地表部主要由海積的黏土組成，下部為巨厚的淤泥質(zhì)土，地基承載力及壓縮模量低，工程性質(zhì)極差，為典型的軟土地基?；訃o(hù)變形控制難度大，成本高，對(duì)基坑周邊的管線影響尤為顯著。

地下管線在圍護(hù)施工引起的土體變形作用下主要破壞模式有兩種情況：一是整體性連續(xù)管道，如焊接鋼管和PE實(shí)壁管，其管段在附加拉力作用下出現(xiàn)裂縫，甚至發(fā)生破壞而喪失工作能力；二是非整體性分段管道，由接口連接而成，其管段完好，但管段接頭轉(zhuǎn)角過大或拉脫，接頭不能保持封閉狀態(tài)而發(fā)生泄漏[1]。

本文以該市某地下綜合管廊工程條形基坑為背景，運(yùn)用有限元軟件MIDAS GTS/NX建立各工況分析模型，通過分析管線的變形情況，評(píng)估基坑對(duì)鄰近管線的影響。通過本次分析，為軟土地區(qū)相似工程的管線評(píng)估提供借鑒和參考。

1 工程概況

該地下綜合管廊工程呈長(zhǎng)條狀，總長(zhǎng)度約12.3 km，開挖寬度為12.15 m，基坑開挖深度為7.3 m～12 m。管廊沿該市某快速路南側(cè)道路邊布置，DN1 200輸水管位于管廊南側(cè)，大體走向基本與管廊平行。DN1 200輸水管為原水干管，為壓力管，管徑DN1 200，采用開挖敷設(shè)和牽引施工。牽引段管道埋深約9 m，開挖段管道埋深約2.2 m。輸水管設(shè)計(jì)管材采用12 mm厚(牽引段管材壁厚16 mm)Q235B鋼管，標(biāo)準(zhǔn)段管中心與管廊外壁最近約3 m，最遠(yuǎn)距離約12 m。

2 地質(zhì)概況

1)地形地貌。根據(jù)該地下綜合管廊工程地勘(詳勘)，管廊線路途經(jīng)地區(qū)屬溫黃平原，沿線均為濱海平原區(qū)。地勢(shì)開闊平坦，地面高程一般在2.0 m～3.5 m，地表水系縱橫交錯(cuò)。表部主要由海積的黏土組成，下部為巨厚的淤泥質(zhì)土。現(xiàn)狀多為道路、農(nóng)田(荒地)、民宅、河道等。

2)地基土層的分布與特征。本文節(jié)點(diǎn)位置勘探揭示土層自上而下分別為：

3 有限元模型建立

3.1 計(jì)算方法

為了分析基坑開挖對(duì)基坑南側(cè)水管線的影響，本次數(shù)值模擬采用有限元軟件MIDAS GTS/NX進(jìn)行。數(shù)值模擬是對(duì)巖土體在受力狀態(tài)下的近似模擬計(jì)算，通常為方便計(jì)算的進(jìn)行，對(duì)復(fù)雜的真實(shí)巖土體條件進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，省略掉對(duì)實(shí)際工程影響小的因素，因此，本次數(shù)值模擬對(duì)物理力學(xué)性質(zhì)相近的土體進(jìn)行了歸并。地層物理參數(shù)見表1。

表1 地層物理參數(shù)

綜合管廊埋深較深，基礎(chǔ)位于②1b淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。設(shè)計(jì)地面高出現(xiàn)狀地面約2 m(見圖1)。

3.2 建模原則

本次數(shù)值模擬的模型按如下原則建立：

1)內(nèi)支撐、換撐結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧M。2)支護(hù)樁通過等效剛度原則采用板單元進(jìn)行模擬。3)坑內(nèi)水泥土攪拌樁土體加固采用單元屬性修改實(shí)現(xiàn)。4)施工影響采用表面均布荷載進(jìn)行模擬。5)水管采用環(huán)狀連續(xù)植入式桁架單元進(jìn)行模擬。6)基坑內(nèi)外土體均采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。為了分析基坑開挖過程的影響，在網(wǎng)格劃分過程中，對(duì)基坑開挖部分、水管管壁進(jìn)行了網(wǎng)格加密。該模型尺寸為長(zhǎng)×寬=80 m×40 m。

3.3 計(jì)算模型及工況

根據(jù)本工程特點(diǎn)，管廊工程基坑及管廊南側(cè)供水管線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，基坑寬度12.15 m，基坑寬度均遠(yuǎn)小于基坑長(zhǎng)度，因此基坑開挖對(duì)管線的影響可近似簡(jiǎn)化為斷面方向的二維平面問題，根據(jù)本項(xiàng)目基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型及管線遠(yuǎn)近深淺不同，歸納分為3類不同的支護(hù)形式，3類管線距離，2類管道埋深，共分析14個(gè)模型(見表2)。

表2 模型工況統(tǒng)計(jì)表

4 有限元模型計(jì)算及結(jié)果

4.1 1-1a斷面計(jì)算

1-1斷面模參考實(shí)際施工順序，主要模擬10個(gè)施工步(見表3)。

表3 基坑開挖模擬施工步一覽表

由圖2～圖5可知，基坑周邊土體的水平位移基本向坑內(nèi)變化，在第二支撐位置變形最大，坑底被動(dòng)區(qū)加固土體以下圍護(hù)樁向基坑內(nèi)部移動(dòng)。豎向位移在兩側(cè)3倍坑深范圍內(nèi)地表沉降明顯，坑內(nèi)土體明顯上移。

綜上，該斷面計(jì)算結(jié)果反映出軟土地基基坑的典型位移情況，圍護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)需謹(jǐn)防坑底土體隨圍護(hù)墻踢腳向坑內(nèi)移動(dòng)，圍護(hù)樁外傾，產(chǎn)生隆起破壞。

通過表4，表5可知，管道基本隨其周邊土體共同變形。

表4 1-1a模型管道位移變形一覽表

表5 1-1b模型管道位移變形一覽表

4.2 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)1-1a模型及其他模型計(jì)算可知，基坑變形及管道最大變形協(xié)調(diào)統(tǒng)一，且均發(fā)生在拆除支撐工況。對(duì)各工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表6所示。

表6 各模型管道位移一覽表

4.3 有限元計(jì)算結(jié)果分析

1)輸水管水平位移分析。

根據(jù)工程實(shí)際工況進(jìn)行了數(shù)據(jù)模擬，對(duì)各圍護(hù)外輸水管不同深度、不同距離、不同埋深的水平位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見圖6)，可得出以下結(jié)論：

a.管道埋深越深，離基坑距離越遠(yuǎn)，水平位移越小。

b.管道位于坑深范圍內(nèi)，圍護(hù)剛度越大，水平支撐數(shù)量越多，其水平位移越小。

c.管道位于基坑底以下，鋼板樁圍護(hù)時(shí)水平位移受距離影響不大，灌注樁圍護(hù)時(shí)管道離基坑距離越大水平位移越?。凰街螖?shù)量越多，其水平位移越小。

2)輸水管豎向位移分析。

輸水管豎向位移較為規(guī)律(見圖7)，可得出以下結(jié)論：

a.管道埋深越深，離基坑距離越遠(yuǎn)，豎向位移越小。

b.管道位于坑深范圍內(nèi)，豎向變形以下沉為主，管道離基坑距離越遠(yuǎn)，豎向變形越小；圍護(hù)剛度越大，豎向變形越小。

c.管道位于坑底以下，豎向變形以上浮為主，管道離基坑距離越遠(yuǎn)，豎向變形越小。

3)輸水管總體位移分析。

輸水管總體位移較為規(guī)律(見圖8)，可得出以下結(jié)論：

a.管道位于坑深范圍內(nèi)，埋深越深，管道總體位移越?。粐o(hù)剛度越大，總體位移越小，且均隨離基坑距離增大而減小。

b.管道位于基坑底以下，管道總體位移受圍護(hù)剛度影響不大；離基坑距離越大總體位移越小。

5 結(jié)論

1)管道埋深越深總體位移越小，離基坑圍護(hù)距離越大變形越小。

2)管道在坑底以下的總體位移小于其位于基坑深度范圍內(nèi)的總體位移。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度、水平支撐數(shù)量與管道總體位移成反比。

4)不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)間管道將有位移差，是造成管道破壞的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；同時(shí)軟土地基鋼板樁拔除土體擾動(dòng)大，需考慮必要措施以滿足管道的變形允許值。

5)本文僅限于管道位移的研究，《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]焊接鋼管應(yīng)以應(yīng)力控制，其計(jì)算難度大，變形控制標(biāo)準(zhǔn)將簡(jiǎn)化管線安全監(jiān)控，其標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步研究。