摘要：本文以杭州第二水源千岛湖配水工程——渌渚江倒虹管工作井的施工为工程背景，通过一些合理的简化和假设，采用ABAQUS有限元分析软件，模拟实际开挖过程，来研究双基坑开挖对既有天然气管道的影响规律。
关键词：双基坑 天然气管道 竖向位移 水平向位移 ABAQUS
1 前言
渌渚江倒虹管属于杭州第二水源千岛湖配水工程南线的交叉建筑物工程，与杭州市天然气利用工程富阳西线S16-3天然气高压管道斜交，为保证天然气管道正常运行，在工程中采用浅埋暗挖法施工，并在暗挖隧道东西两端设置工作井。此工作井属于深基坑工程，由于天然气高压管道对土体变形敏感，施工过程中会扰动周围土体，对管道的安全造成一定影响，为确定既有管道在施工中变形量是否在合理的范围之内，采用数值模拟的方法对各个工况进行模拟，以便运用所得成果在施工过程中及时对管道变形进行预测，定量掌握影响的程度，指导施工。
2 工程基本情况
工程位于杭州市境内，取水口位于千岛湖，供水范围为杭州市区及周边城市。本文涉及案例属于千岛湖至闲林配水井输水线路南线输水隧洞工程。
2.1地形地貌
渌渚江倒虹管开挖段位于富阳市渌渚镇窑门滩村附近，属低山、丘陵地貌，场区为山间洼地地形，地面高程约10.50m左右，地势平缓，交通便利。
2.2地层岩性
场区出露地层主要有古生代志留系下统大白地组（.png)
）的粉、细砂岩及第四系松散堆积物，从上到下依次为耕植土、粉质黏土、含泥砂卵砾石。
2.3地质构造
场区未见断层通过，基岩中节理较发育，以中~陡倾角为主，节理面见铁锰质渲染。
2.4地下水
场区覆盖层土中地下水属承压水，勘探期间测得的场区稳定地下水位埋深2.1~4.2m，受大气降水和地表径流补给影响。
2.5风险工程
工作井紧邻富阳西线S16-3天然气高压管道，工作井尺寸及天然气管道的相对位置如图1所示。跨天然气管道暗挖段顶部埋深7.55m，与天然气管道斜交，交角为75.5°，下穿施工要保证天然气管道的正常运行。
现地面高程10.90m，天然气管采用直埋敷设，管顶高程9.50m，管顶覆土深度1.4m，管外底高程为8.89m。天然气管道设计压力为4.0MPa，外径Φ610mm，壁厚11.9mm，采用的是直缝双面埋弧焊钢管，材质为L360M。
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图1 工程平面布置图
3 基坑开挖对既有管道变形影响的数值模拟
ABAQUS是一套功能强大的工程模拟有限元软件，可以解决各种线性和非线性问题，特别适用于岩土工程方面。
3.1计算模型
3.1.1基本假定
为简化计算，本案例采用如下假定：
1）假定土体为均匀分布、各项同性的弹塑性体，并遵循摩尔库伦屈服准则；由于水土分算计算量太大，暂且按不排水情况考虑；
2）地下管道等效为梁单元，在此段内认为管道没有节点（即接口处），并在整个施工过程中与土体紧密接触、协调变形；
3）地应力场中只考虑土的竖向自重应力的影响；
4）将钻孔咬合灌注桩用等效刚度法等效为同等强度的地下连续墙，且该地连墙假定为线弹性体；
5）不考虑施工过程对土体力学指标的影响，不考虑渗流影响。
3.1.2模型尺寸
根据相关文献以及工程经验可得，基坑开挖宽度方向的影响范围约为基坑开挖深度的3～4倍，深度方向的影响范围为基坑开挖深度的2～4倍。综合考虑模型计算的难易程度及模型模拟的准确性，拟定模型尺寸为57.3m*29.4m*40m。
3.1.3材料参数
地下管道：两个基坑之间，天然气管道贯穿整个模型，为直缝双面埋弧焊钢管，材质为L360M，管道外径为610mm，天然气管轴线距离地面1.705m，距离两侧基坑侧壁距离均为3.705m。按弹性材料计算，弹性模量.png)
，泊松比.png)
=0.2。天然气管道设计压力4.0MPa。
围护结构和支撑：围护结构和支撑均按线弹性材料考虑，并采用等效刚度法将钻孔灌注桩等效为同等强度的地下连续墙。经计算，弹性模量为.png)
MPa，等效厚度为0.86m。
表1 土层地质参数
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表2 支撑（锚）结构设计参数表
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表3 换撑设计表
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3.1.4基坑周边荷载
本案例中主要的荷载包括自重和超载，这里自重荷载取9.8kPa，地面超载取20.0kPa。
3.2模型计算分析
利用ABAQUS对工况进行模拟，所有工况完成后得到以下成果（为直观展示基坑受力状况，隐藏了内支撑结构）：
3.2.1基坑变形分析
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图2 基坑水平向位移切面云图（单位：m）
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图3 基坑竖向位移云图（单位：m）
1）在影响范围内，距离基坑越远，沉降值增加；在管道的位置，由于双基坑同步开挖的作用，沉降值增大，可见双基坑同步开挖，基坑间土体受沉降叠加影响，产生土拱效应，会加大土体沉降。
2）观察水平位移的方向，我们可以发现，由于两个基坑大小不同，大基坑的偏压作用会影响相对小的基坑，使得土体会向小基坑侧偏移，在施工过程中，需对该侧变形加大监控力度。
3.2.2围护结构变形分析
1）靠近基坑底部的围护结构在基坑底部隆起的作用下，带动围护结构向上运动，但位移程度明显小于底部土体隆起位移，可以证明底板控制隆起变形的作用；
2）围护结构也在土体偏压作用下，向小基坑方向侧移，但由于围护结构的保护作用，变形也较土体变形小，围护结构在控制土体位移方面的作用已经凸显。
3）围护结构变形呈“内凹”型，中部截面变形大于角部附近截面。这是由于基坑存在角部刚度效应，围护结构角部刚度大于远离角部的其他截面，因此变形较小。
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图4 围护结构水平向位移云图（单位：m）
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图5 围护结构竖向位移云图（单位：m）
3.2.3管道变形分析
为简化分析，直观明确，故将开挖和加锚撑合并为第n步开挖，并整理数据得到位移变化图。
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图6 沿管道方向水平向位移变化图（单位：m）
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图7 沿管道方向竖直向位移变化图（单位：m）
1）随着开挖深度的增加，地下管道的位移也逐渐增大，尤其是第二步与第三步开挖，管道水平向和竖向位移均明显增大。
2）管道变形最大弯点出现在坑角对应的位置附近，且最应力出现在该处。
3）基坑开挖对管道竖向位移的影响要比水平向位移影响大，且从第三步开挖到结束，地下管道的水平位移增量和竖向位移增量都很小。由此可见前两道支撑所起到的对保护作用非常明显，支撑和围护结构的协同作用是减小既有管道的位移、保护地下管道的有效措施。
所有工况完成后，管道的最大水平位移为4.94mm，最大竖向位移为11.82mm，围护结构在限制水平位移方面起到了重要作用，最大竖向位移未超过控制沉降值15mm。
3.3管道安全状况评估
为进一步验证所得结果的准确性，还提取了管道的弯矩图，计算出相应应力值，并与屈服强度之间比较，判断管道是否超出屈服强度而发生破坏。
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图8 沿管道方向弯矩变化图（单位：N•m）
观察上图可以发现，在基坑边角位置，管道所受弯矩逐渐增大，并在靠近中间位置即16m左右处达到最大，最大值为23501.64N•m。数值模拟过程中，我们将管道近似看作梁单元，即需满足 ，可判定管道安全。
管道为等截面直梁，中性轴为横截面对称轴，因此采用 计算最大应力。该天然气管道材质为直缝双面埋弧焊钢管，材质为L360M，查阅相关规范可得，其最低屈服强度为 为360~510MPa。经过计算，可得管道所承受最大弯矩正应力为114.1Mpa，小于管道所承受的最低屈服强度，可认为施工期间，天然气管道安全。
4结语
1、采用有限元软件ABAQUS可动态了解各个工况下基坑的变形特征，前期可对设计方面提出修改意见，在施工过程中也可对重点位置进行相应处理与监测。
2、深基坑开挖对邻近管道竖向位移造成的影响要比水平向位移影响大的多，围护结构及内支撑的设置有效减少了周边土体的侧向移动。
3、双基坑开挖对中间地埋管道的影响，大于单个基坑产生的影响，是两个基坑效应的叠加，对管道的沉降变形产生非常明显的影响；
4、两个大小不一的基坑，同时施工过程中，大基坑的偏压作用会影响相对小的基坑，使得土体会向小基坑侧偏移，增强围护结构强度可减少侧移量，在施工过程中，需对该侧变形增加监控力度。
参考文献
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论文作者:张文文
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/29
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