基坑工程对邻近天然气管道影响的探讨及如何进行管道防护

1897 2020-07-23 11:14:42

随着国民经济的发展及城市化进程不断推进，我国基础设施建设发展迅速，各类用途的地下空间及设施也得到了前所未有的发展。地下空间和设施包括高层建筑地下室、地下商业街、地铁站、地铁及道路隧道等，这类工程的实施均需要进行深基坑开挖。基坑工程施工会引起土体应力场的变化，不可避免地产生地表变形，会破坏邻近埋地管道受力的平衡状态，引起管道的附加位移和受力，甚至会造成管道的开裂或破坏。尤其是对于天然气管道，一旦发生破坏，天然气将在非常短的时间内大量泄漏，容易造成爆炸和火灾，对附近的人员和建筑物造成伤害和破坏，直接影响到周边的公共安全和社会稳定。本文以实际的深基坑工程作为案例，分析其设计和施工过程对邻近埋地天然气管道造成的安全影响，并提出相应的安全控制措施。

1 基坑工程对周边环境影响规律

基坑开挖是土体的卸荷过程，邻近土体的位移场、应力场和基坑都会因为土体的卸荷而产生变化，围护结构后面地表的沉降变形、围护结构的水平位移和坑底的隆起变形都是周围地层移动和基坑变形结果的直观表现^［¹^］。典型的基坑变形形态见图1。

图1 典型的基坑变形形态

基坑开挖打破了基坑土体原有的应力平衡，使得支护结构侧移，土体也随之发生侧移，必然导致地下天然气管道发生向基坑内方向的移动，移动的距离称为水平位移，同时深基坑开挖将引起邻近地面下沉，导致地下天然气管道竖向移动，移动的距离称为竖向位移，当竖向位移与水平位移达到天然气管道变形的极限值时，将会引起天然气管道的竖向与水平拉裂破坏。

2 基坑工程对天然气管道的有害因素分析

①基坑开挖导致周围地基土体的变形，对周围地下管线产生重大影响，严重的将危及正常使用或安全。

②基坑开挖涉及大量土方外运也将对天然气管道产生影响。

③基坑支护结构若未控制与管道之间的安全间距，可能会造成对管道及管道外防腐层的破坏，导致管道防腐效果的失效和管道的破裂。

④泥浆排放或排水措施不力时，会改变天然气管道周围地质条件，从而破坏天然气管道原有的稳定或造成管道防腐层的破坏，故在开挖深基坑时应注意加强排水防灌措施，实时监测，且应提前做好应急预案。

3 基坑工程天然气管道保护措施

对于基坑周边的天然气管道，如果不具备迁改条件，往往采取以下两种方案进行保护。

①优化施工参数，加强主动防控。根据场地地质条件，加强围护结构的强度，减少施工对土体的扰动，进而减少对地下天然气管道的影响。可以采取加强围护结构的形式，也可以采取加固坑内土体的加固方案。

②采取特殊处理，做好被动防控。利用监测，对现有管道进行保护或加固，主要有隔离法、土体加固法、卸载保护法、悬吊法等。

4 工程案例

4.1 项目概况

本项目为输水隧道盾构工作井工程，盾构工作井为矩形井，主体结构为地下四层框架结构，外包尺寸为38.3 m×15.8 m，井深29.25 m。主体结构与围护结构间形成叠合墙形式；内衬墙厚度600～800 mm，顶板覆土2 m。盾构工作井南侧边线与省级天然气管道的水平间距为15.6~17.1 m；省级天然气管道为直埋敷设，管顶埋深为2.35~4.00 m。盾构工作井与省级天然气管道的位置关系见图2，图2中数值相应的单位均为m。

图2 盾构工作井与省级天然气管道的位置关系

4.2 地质情况

据勘察结果，工作井场地60 m浅范围内地基岩土以第四系及白垩系地层为主。地基岩土自上而下共分为4个工程地质层：Ⅱ₂层砂质粉土，中等或低压缩性，干强度及韧性均较低，该层厚度为5.4~8.8 m；Ⅲ₁层淤泥质粉质黏土与粉土互层，含水量高、压缩性高、承载力低，该层厚度为34.7~38.2 m；ⅩⅢ层含砾砂粉质黏土，以坡积成因为主，砾石含量较低，局部含砂较多，该层厚度为0.7~1.5 m；ⅩⅤ₁层晶屑玻屑凝灰岩，强风化岩石节理裂隙发育，弱风化呈块状或短柱状，具晶屑玻屑凝灰结构，块状构造，由大量火山碎屑物质堆积压实而成。场地内分布有Ⅲ₁层淤泥质粉质黏土与粉土互层，土质软弱，具有流变触变特性，工程性质较差，对工作井基坑开挖影响较大。

4.3 基坑工程围护设计过程中控制措施

4.3.1 埋地天然气管道的精确探测

本工程天然气管道为浅埋敷设，采用常规的电磁感应法测得地下管道的位置，然后在管道业主的监护下，采取开挖样洞的方式现场验证管道的确切位置。

4.3.2 周边管线监测报警值选取

盾构井基坑周边环境监测报警值根据GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》第8.0.5条确定。基坑周边地下管线的监测报警值范围见表1。与盾构井邻近的省级天然气管道为柔性管线，变形位移累计报警值范围为10~40 mm，本文取报警值为40 mm。

表1 基坑周边地下管线的监测报警值

4.3.3 基坑工程设计控制措施

基坑挖深31.45 m，采用120 cm 厚的地下连续墙围护，顶部设1道混凝土支撑，下部设7道钢支撑和1道混凝土支撑，在施工下部设混凝土支撑时，设置1道临时钢支撑。建立的地表沉降计算模型见图3，该模型为过工作井长边中心垂直于长边的断面，计算采用Qimstar 同济启明星基坑支护结构专用软件FRWS8.2。地面超载取30 kPa，潜水位取施工场地标高以下 1.5 m，地下连续墙底部伸入到ⅩⅤ₁弱风化晶屑玻屑凝灰岩中，该区域附近无明显承压水层，基坑安全等级为一级。土层参数见表2，计算结果见表3。由表3可知，地下连续墙右侧土体最大沉降量为53.9 mm，不满足规范对于周边柔性管线的变形要求。

图3 地表沉降计算模型

表2 土层参数

表3 地表沉降计算结果

①控制措施1：加强基坑围护强度

为控制土体变形，保护基坑外天然气管道，钢支撑采用伺服系统，坑底3 m以下范围采用高压旋喷桩进行满堂加固。采取此围护结构加强方案后，计算结果见表4。由表4可知，地下连续墙右侧土体最大沉降量为23.8 mm，满足规范对于周边柔性管线的变形要求。

表4 加强基坑围护强度后的地表沉降计算结果

②控制措施2：土体加固法

a.加固方案

对于基坑开挖造成土体位移、地面沉降等现象，通过袖阀管注浆的方法来加固土体。在距离天然气管道5 m外设置2排注浆孔斜向下深入到管道底部，袖阀管敷设于注浆孔中，作为土体加固和跟踪注浆用。施工前注浆加固，提高土体强度，减小变形量；施工过程中跟踪注浆，补偿沉降量，适当抬升管道变形；施工完成后注浆充填加强管壁松散土和空隙处。袖阀管注浆加固土体见图4。

图4 袖阀管注浆加固土体

b.钢管变形有限元分析计算

本工程已建省级天然气管道是外直径为813 mm的钢管，距离盾构井取16.8 m，管顶埋深取2.5 m。采用大型岩土有限元分析软件Midas/GTS进行二维分析。根据基坑开挖的影响范围，模型长度取100 m（垂直于管道轴线方向），高度为重力方向，取80 m，划分网格后的计算模型见图5。模型四周为限制水平方向约束，底面为限制竖直方向约束，上表面为自由约束。主要分析基坑开挖对天然气管道的影响及袖阀管注浆加固土体后对天然气管道的影响。

图5 划分网格后的计算模型

该模型中，土体采用二维平面单元模拟，管道采用梁单元模拟，本构模型采用修正摩尔-库伦模型。模型计算时，对土体施加变形（采用表3的地表沉降值），分析在此影响下天然气管道的变形情况。在分析采用袖阀管注浆加固土体后基坑开挖对天然气管道的影响时，加固土体弹性模量取40 MPa，施加膨胀压力来增加体积单元模拟注浆过程，膨胀压力取0.1 MPa。土层参数采用表2的值，考虑到实际地质情况的复杂性，为使计算结果安全性更高，模拟中加大了强风化晶屑玻屑凝灰岩的厚度设置值（设置为5 m）。钢管的力学性质指标见表5。

表5 钢管的力学性质指标

计算工况：本次模拟计算过程中，不考虑自重情况下已经产生的先期位移，只考虑此次基坑开挖引起的附加变形。根据施工先后顺序，计算可分为工况1~ 4进行分析。工况1：初始地应力计算，位移清零；工况2：管道结构完成，位移清零；工况3：施加基坑开挖引起的土体位移，模拟得到天然气管道变形位移情况；工况4：袖阀管注浆加固土体后，模拟得到天然气管道变形位移情况。

计算结果：工况3天然气管道横截面变形位移云图见图6（图6中色标表示变形位移，单位为mm），最大变形位移为41.38 mm，超出规范对于周边柔性管线的要求。工况4袖阀管注浆加固土体后，天然气管道横截面变形位移云图见图7（图7中色标表示变形位移，单位为mm），最大变形位移为20.85 mm，说明经过土体加固后，管道的变形已大幅下降，满足规范对于周边柔性管线的要求。在施工过程中的安全监测辅助下，进行多次跟踪注浆可以有效控制基坑开挖导致的管道变形位移。

图6 工况3天然气管道横截面变形位移云图

图7 工况4天然气管道横截面变形位移云图

4.4 基坑工程围护施工过程中控制措施

本工程设计方案经过技术经济比较后，采取了加强基坑围护强度结合施工过程中进行管道安全监测的控制措施，土体加固方案作为管道变形位移超过监测预警值要求时的应急方案。针对基坑施工过程中的省级天然气管道进行监测，监测点平面间距15～25 m，布设于管道的节点、转折点及变形曲率较大的部位，其中有开挖条件的管段，则开挖暴露，将监测点直接布设到管道上；无开挖条件的管段，在对应的地表埋设间接监测点。监测点布置方法见图8。

图8 天然气管道的监测点布置

1.地面 2.保护井 3.测杆 4.保护杆 5.管道 6.锚头

本工程监测期限为2019年3月14日至10月4日，在此期间管道监测点处的最大沉降量均满足规范对于周边柔性管线的变形位移要求。说明基坑在设计过程中采取的加强措施有效且可靠，基坑施工期间天然气管道运行状态安全可控。直接监测点RC3的沉降观测值软件截图见图9。

图9 RC3处天然气管道的沉降观测值软件截图

5 结论

分析基坑工程对邻近天然气管道的有害因素、天然气管道保护措施。结合工程案例，探讨基坑工程保护天然气管道的措施。给出基坑周边地下管线的监测报警值。采用基坑支护结构专用软件进行基坑周围地表沉降计算，得到土体最大沉降量为53.9 mm，不满足规范对于周边柔性管线的要求。提出2种保护措施：加强基坑围护强度、土体加固。采用大型岩土有限元分析软件Midas/GTS进行模型计算，分析基坑开挖对天然气管道的影响及袖阀管注浆加固土体后对天然气管道的影响。燃气管道最大变形位移为41.38 mm，超出规范对于周边柔性管线的变形位移要求。经过土体加固后，管道的变形位移大幅下降，满足规范对于周边柔性管线的要求。工程设计方案经过技术经济比较后，采取了加强基坑围护强度结合施工过程中进行管道监测的措施，土体加固方案作为管道变形位移超过监测预警值的应急方案。基坑施工过程中对省天然气管道进行监测，可知采取的保护措施有效且可靠，基坑施工期间天然气管道运行状态安全可控。

参考文献：

［1］高芬. 基坑开挖对周围地埋管线及土体变形影响分析（硕士学位论文）［D］. 北京：北京交通大学，2012：11.

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