基坑开挖对临近输水管道影响的数值模拟研究

章致远

(江西省高安市水利局，江西高安，330800)

0 前言

基坑工程越来越多地运用于城市建设中，并大量开发和利用了地下空间，对此学者们进行了大量的研究。刘争国等[1]利用MIDAS数值模拟软件，对8种不同工况的基坑施工进行了模拟，研究结果表明：在不同的工况下，围护结构水平位移不同，应根据施工要求选择合理的施工方案；周政等[2]利用数值模拟软件，分析了基坑在附加荷载作用下的变形，并提出相应的变形治理方案，治理方案结果表明：距离基坑越远，角部效应越小；胡联锐[3]在基坑设计方案中提出了桩锚和土钉联合支护方法，通过实践可知此方法更加经济合理；刘金涛[4]结合基坑施工的实际情况，对深基坑支护施工技术具体应用进行分析，以提升深基坑支护施工水平；王振楠等[5]依托某新建地铁基坑工程，采用三维数值模拟方法和现场监测方案，分析了高架桥墩响应位移问题，研究结果表明：基坑降水开挖过程中，受卸效应会影响桥墩基础；周士杰[6]认为SMW工法桩使得基坑墙体连续完整，并且具有良好的抗渗性；林煜焜等[7]认为当不具备锚索施工条件时，可利用筏板底座与腰梁受力，以解决了场地限制问题；彭戡[8]针对基坑超厚砂层潜水含水层问题，采取地下水控制措施，实践结果表明：此措施安全经济；王盼[9]结合基坑开挖面积大，地下水丰富等问题，提出采用地下连续墙加固支护形式，施工结果表明：此形式对周围环境扰动小；姜正兴[10]分析了基坑建设中的项目管理问题，分析结果表明：基坑监理管理能够明显的提高深基坑的施工质量。

然而以上的成果并没有研究基坑穿越输水管道时，基坑施工对输水管道和周围岩土体位移的影响，因此，本文结合实际基坑开挖工程，利用MIDAS GTS软件还原基坑开挖的全过程，并对基坑周围岩土体和输水管道的位移、塑性区和安全系数进行分析，以评估此次基坑开挖成功与否。

1 工程概况

基坑位于江西省南昌市，基坑开挖长度为32m，高度为24m，如图1所示，经过地质勘察可知，地层主要分为三层，分别为风化土、风化岩和软岩，选择的施工区域长度为220m，施工难度为基坑右侧14m处存在一条输水管道，此管道存在于风化岩区域，此输水管道建成后一个月便开始基坑的开挖。因管道主要起着为当地居民输水的作用，因此，基坑的施工切不可以对管道造成位移或受力的不良影响。

图1 基坑平面(单位：m)

2 数值模拟

2.1 模型的建立

为保证基坑施工不对输水管道造成不良影响，基坑选择开挖次数为5次，除了第4次开挖深度为4m以外，其余开挖深度为5m。第4次开挖处正处于地下水位线处，因此，第4次开挖深度选择为4m。数值模拟中岩土体的物理力学参数如表1所示。

表1 岩土体物理力学参数

基坑开挖后随即对其进行支撑加固，因为输水管道在基坑右侧，因此右侧区域是本文考虑的重点，同时对输水管道区域的塑性区和基坑的安全系数进行监测。

2.2 竖向位移

对基坑的竖向位移进行监测，监测云图如图2-图6。

图2 第一次开挖(单位：m)

如图2所示，基坑第一次开挖后，竖向位移最大处位于基坑右侧约5m处，最大位移为0.76mm，且所占岩土体范围为0.3%，此位移不超过1mm，由于所占比例不大，几乎可以忽略此位移的影响，约85%的岩土体几乎没有位移。

图3 第二次开挖(单位：m)

如图3所示，基坑第二次开挖后，竖向位移最大处位于基坑右侧约5m处，最大位移为1.8mm，且所占岩土体范围为0.2%，此位移不超过2mm，由于所占比例不大，几乎可以忽略此位移的影响，约78%的岩土体几乎没有位移。

图4 第三次开挖(单位：m)

如图4所示，基坑第三次开挖后，竖向位移最大处位于基坑右侧约5m处，最大位移为1.9mm，且所占岩土体范围为0.2%，此位移不超过2mm，由于所占比例不大，几乎可以忽略此位移的影响，约72%的岩土体几乎没有位移。

图5 第四次开挖(单位：m)

如图5所示，基坑第四次开挖后，发现地下水，及时对地下水进行了处理，处理后竖向位移最大处位于基坑右侧约5m处，最大位移为1.7mm，由于所占岩土体范围为0.2%，此位移不超过2mm，且所占比例不大，几乎可以忽略此位移的影响，约66%的岩土体几乎没有位移。此竖向位移结果表明基坑排水措施是成功的。

图6 第五次开挖(单位：m)

如图6所示，基坑第五次开挖后，竖向位移最大处位于基坑右侧约5m处，最大位移为4.3mm，且所占岩土体范围为2%，此位移不超过6mm，由于所占比例不大，几乎可以忽略此位移的影响，约54%的岩土体几乎没有位移。

第五次开挖后竖向位移明显增加，原因有两种，一种是前四次开挖竖向位移累计的结果，第二种是基坑地下水被排出后造成的影响。此次模拟结果同时也说明排水后对基坑周围岩土体的位移存在一定的影响。

2.3 塑性区和安全系数分析

基坑开挖以后，通过数值模拟对基坑周围岩土体的塑性区进行研究，塑性区云图如图7所示。

图7 基坑开挖后塑性区

如图7所示，基坑开挖后塑性区主要集中于输水管道区域，此部分区域所占比例约为5%，此区域范围较小，计算安全系数可知此基坑开挖后安全系数为1.8，说明基坑开挖施工是成功的。

塑性区的判别是MOHR破坏准则，即在τ-σ曲线中，若岩土体的受力达到摩尔应力圆区域，便可认为岩土体达到塑性破坏。管道开挖后，管道周围必定会出现应力集中，同时施工单位为赶工期，未等管道周围的地应力达到平衡，便开始基坑的开挖，导致了管道周围岩土体出现塑性区。但是塑性区并未贯通，因此，可认为基坑的施工并未对管道造成不良影响。

3 结论

基坑开挖区域附近因存在输水管道，为保证基坑开挖对输水管道不造成不良影响，基坑采用了5次开挖，并通过数值模拟对基坑周围的岩土体进行竖向位移监测、塑性区监测和安全系数分析，研究结论如下：

(1)基坑前三次开挖后，竖向位移均控制在合理范围内，通过分析可知，前三次开挖是合理的。

(2)基坑第四次开挖涉及排水，此次开挖后竖向位移也控制在合理范围内，但是第五次开挖后，竖向位移明显增大，说明排水确实会对基坑周围岩土体的竖向位移造成一定的影响。

(3)通过基坑开挖后的塑性区和安全系数分析可知，基坑开挖并没有造成输水管道塑性区增大，安全系数为1.8也表明此次基坑开挖是满足工程要求的。

(4)以上的研究可供基坑开挖较小、地下水位较浅的基坑施工参考，对于基坑开挖面积较大、深度较深的基坑，尚有待进一步研究。