龙志伟 胡启军 刘俊新 刘 军
(1.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010;2.西南石油大学土木工程与建筑学院，四川成都 610500)
0 引言
基坑开挖打破了土体的初始平衡状态，使周边土体产生水平和竖直方向的位移，土体位移的改变又产生了相应的土压力，进而使埋设在其中的管道上的应力发生变化。作用在管道上的应力，按其作用方向可分为径向、环向和纵向应力［1］，当作用在管道上的应力大于其容许应力时，管道将发生破坏。
管道的附加应力是导致管道破坏的内在原因，而影响管道附加应力的因素很多。贾洪斌［2］、胡冬［3］分析了基坑分步开挖、开挖尺寸、不同管径、埋深、管材种类、管线周围土体的土质、管线距离基坑远近及支撑刚度等因素对管线的影响。
基坑变形是引起地下管线破坏的主要诱因。而支护结构又对控制基坑变形起着至关重要的作用，因此本文将从支护结构本身讨论有关参数的变化对邻近管线的影响规律。
1 计算模型及参数
本文选取成都地区典型的桩锚支护结构体系深基坑作为模拟的对象，基坑开挖深度为26.9 m。查阅相关文献可知，基坑开挖对周围土层的影响范围一般为3倍～5倍开挖深度。计算模型尺寸为196.5 m×50 m×108 m。共划分29 950个单元，33 410个节点。模型上表面为自由边界，底面固定，四周约束其法向位移。
地下管线平行于基坑开挖面布置，取管道外径1 m，壁厚50 mm，采用混凝土管，取弹性模量和泊松比分别为25 GPa，0.1，ρ=2 500 kg/m3，采用实体单元模拟。
支护桩采用Pile单元模拟，E=30 GPa，υ=0.2;锚索用Cable单元模拟。
计算中基础采用弹性本构模型，土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，土体参数如表1所示。
表1 土层物理参数
2 管线变形控制标准
GB 50299-1999广州地区建筑基坑支护技术规定［4］规定采用承插式接头的铸铁水管、钢筋混凝土水管两个接头之间的局部倾斜值应≤0.002 5;采用焊接接头的水管的两个接头之间的局部倾斜值应≤0.006;采用焊接接头的煤气管两个接头之间的局部倾斜值应≤0.002。同时，张国亮［8］指出上述管线的绝对沉降值不应大于30 mm。
上海市政部门规定煤气管线的允许水平位移为10 mm～15 mm。
根据《地下铁道工程施工及验收规范》［5］《城市工程管线综合规划规范》［6］及《石油天然气工业套管和油管的维护及使用》［7］，并结合位移速率作为共同监测管理标准，另外根据施工影响范围内的管线分布情况，煤气管线的变形、沉降或水平位移不应大于10 mm，位移速率不应大于2 mm/d;自来水管线的变形、沉降或水平位移不应大于20 mm;位移速率不应大于5 mm/d。
任强［9］研究指出各种管线(煤气管、上水管、下水管)的允许不均匀沉降值为1‰L，L为管线的分节长度。
综合以上研究资料和相关规范规程，为保证地下管线的安全，同时，基于安全、方便、经济适用的原则，通过对已有资料的分析，现以管线变形控制为基础制定出管线的变形控制标准如表2所示。
表2 管线变形控制标准
3 不同因素对道路变形特性分析
3.1 桩径对管线变形特性的影响
图1，图2为不同桩径的深基坑开挖时地下管线的水平和竖向位移曲线图。由图可知，地下管线的水平位移变化规律比较复杂，并不单一的随桩径的增大而变大。当桩径在0.6 m～1.0 m内时，水平位移随桩径的增大而变大，而当桩径大于1.2 m时，位移反而减小。同时，由图可知，管线的竖向位移也呈现类似的规律，分析其原因这可能与基坑开挖引起的地表变形有关，地表的变形不仅表现为隆起，而且还表现为沉降，在不同的区域有着不同的变化规律，所以其变化规律比较复杂［1］。
此外，由计算结果可知，当桩径为1.0 m时，地下管线的变形最大，水平位移为19.2 mm，竖向位移为16.3 mm，其变形值皆小于管线的变形控制标准，不会导致管线破坏。当桩径为1.2 m时，其变形出现拐点，因此，综合考虑安全和经济等因素，在进行砂卵石地区深基坑支护设计的时候，选取1.2 m左右的支护桩是比较合适的。
3.2 桩间距对管线变形特性的影响
图3，图4为不同桩间距的深基坑开挖时地下管线的水平和竖向位移曲线图。由图可以看出，地下管线的水平位移随桩间距的增大而变小。这是因为桩间距越大，支护结构刚度越小，其对基坑的支护作用就越小，因此，当基坑开挖时，管线位移方向逐步朝向基坑内侧。同时，由管线的竖向位移变形曲线可知，其竖向位移随桩间距的增大而增大，且当桩间距为3.0 m时，地下管线的竖向位移显著增大。因此在基坑设计时，为保证基坑和地下管线的安全，桩间距应小于3.0 m，且根据基坑设计规范要求，最大桩间距应小于2倍桩径。
图1 地下管线水平位移曲线（一）
图2 地下管线竖向位移曲线（一）
图3 地下管线水平位移曲线（二）
图4 地下管线竖向位移曲线（二）
3.3 锚索排数对管线变形特性的影响
图5，图6为采用不同排数锚索的深基坑开挖时地下管线的水平和竖向位移曲线图。由图可以看出，随着锚索排数的减少，地下管线水平位移逐渐减小，竖向位移逐渐增大。当锚索排数为7排时，地下管线的最大水平位移为18.6 mm，最大竖向位移为15.7 mm;当锚索排数为5排、6排时，管线最大水平位移分别为9 mm，12.8 mm。最大竖向位移分别为 16.7 mm，15.9 mm，都小于管线的变形控制标准，不会导致管线破坏。然而，随着锚索排数的减少，锚索对基坑的总锚固力减少，使基坑趋于不稳定。因此，为保证基坑和邻近管线的安全，在经济允许的条件下，应适当增加锚索的排数。
图5 地下管线水平位移曲线（三）
图6 地下管线竖向位移曲线（三）
3.4 锚索长度对管线变形特性的影响
图7，图8为锚索长度不同时地下管线的水平和竖向位移曲线图。由图可知，随着锚索的增长，管线水平位移逐渐增大，这是因为锚索越长与土体相互粘结形成的锚固力就越大，管线逐渐朝背离基坑开挖方向运动。同时，由管线的竖向位移变形曲线可知，管线竖向位移随锚索的增长而逐渐减少。这是由于锚索越长，锚固力越大，能有效的抑制由于基坑的隆起。从而使管线的竖向位移减小。
图7 地下管线水平位移曲线（四）
图8 地下管线竖向位移曲线（四）
此外，由计算结果可知，当锚索长度为16 m，18 m，20 m，22 m，24 m，26 m 时，最大水平位移分别为 10.6 mm，15.3 mm，16.9 mm，19 mm，19.9 mm，21.9 mm，最大竖向位移分别为20 mm，18.8 mm，18.2 mm，16.3 mm，15.7 mm，15.2 mm，局部倾斜值皆小于0.002 5，不会对管线产生损害。另外，由计算结果可知，当锚索增加到一定长度时，锚索长度的增加对于减少对邻近管线的影响，作用不太明显。因此，在进行砂卵石地区的基坑设计时，锚索长度满足承载力和规范要求即可，一味增加锚索长度并不经济。
4 结语
本文以砂卵石地区典型的桩锚支护结构体系超深基坑为例，研究了不同因素作用下深基坑开挖对地下管线变形特性的影响。得到以下结论:1)地下管线的水平位移和竖向位移并不单一的随桩径的增大而变大。当桩径在0.6 m～1.0 m内时，水平位移随桩径的增大而变大，而当桩径大于1.2 m时，位移反而减小。当桩径为1.0 m时，地下管线的变形最大但其变形值皆小于管线的变形控制标准，不会导致管线破坏。另外当桩径为1.2 m时，其变形出现拐点，因此，综合考虑安全和经济等因素，在砂卵石地区进行深基坑支护设计时，选取1.2 m左右的支护桩是比较合适的。2)地下管线的水平位移随桩间距的增大而变小。其竖向位移随桩间距的增大而增大，且当桩间距为3.0 m时，地下管线的竖向位移显著增大。因此在基坑设计时，为保证基坑和地下管线的安全，桩间距应小于3.0 m，且根据基坑设计规范要求，最大桩间距应小于2倍桩径。3)随着锚索排数的减少，地下管线水平位移逐渐减小，竖向位移逐渐增大。其变形值都小于管线的变形控制标准，不会导致管线破坏。然而，随着锚索排数的减少，锚索对基坑的总锚固力减少，基坑趋于不稳定。因此，为保证基坑和邻近管线的安全，在经济允许的条件下，应适当增加锚索的排数。4)随着锚索的增长，管线水平位移逐渐增大，竖向位移逐渐减少。当锚索增加到一定长度时，锚索长度的增加对于减少对邻近管线的影响，作用不太明显。因此，在进行砂卵石地区的基坑设计时，锚索长度满足承载力和规范要求即可，一味增加锚索长度并不经济。
［1］秦 昊.地铁车站基坑开挖对邻近地下管线的影响研究［D］.上海：同济大学博士学位论文，2010.
［2］贾洪斌.深基坑开挖对周围地埋管线的影响分析［D］.上海：同济大学硕士学位论文，2007.
［3］胡 冬.深基坑开挖对周围地下管线变形影响的有限元分析［D］.南京：南京航空航天大学硕士学位论文，2008.
［4］GB 50299-1999，广州地区建筑基坑支护技术规定［S］.
［5］GB 50299-1999，地下铁道施工及验收规范［S］.
［6］GB 50289-98，城市工程管线综合规划规范［S］.
［7］GB/T 17745-2011，石油天然气工业套管和油管的维护与使用［S］.
［8］张国亮.紧邻既有线地铁车站深基坑工程稳定与变形特性研究［D］.长沙：中南大学博士学位论文，2012.
［9］任 强.北京地铁盾构施工风险评价与控制技术研究［D］.武汉：中国地质大学博士学位论文，2010.
