燃气管道与悬臂桩基坑安全间距研究

2009-7-27

摘要：依据燃气管道与悬臂桩的相互作用关系，建立了燃气管道平行穿越悬臂桩支护基坑地段的安全间距计算模型，采用三维有限元计算模型对主要影响因素作了敏感性研究，提出了燃气管道与悬臂桩支护基坑开挖边界的安全间距建议值。

关键词：燃气管道；基坑；安全间距；有限元法

Research on Safety Distance between Gas Pipeline and Foundat

ion Ditch of Cantilever Piles DONG Jie，HUANG Xiao-mei，ZHANG Yong-xing

Abstract：According to the relationship between gas pipeline and cantilever pipes，the calculation model of safety distance that gas pipeline horizontally passes through foundation ditch of cantilever piles is established. The research on the sensibility of the main influence factors is performed using 3 D-FEM. The recommended value for safety distance between gas pipeline and excavation boundary of foundation ditch of cantilever piles is proposed.

Key words：gas pipeline；foundation ditch；safety distance；finite element method 1 概述

随着我国城镇化发展速度的加快，施工中所面临的燃气管道合理布设与周边建筑基坑开挖等相关安全问题亟待解决。基坑开挖所致的燃气管道受损现象可归纳为下述两方面：①挖掘机直接或间接撞击所致的燃气管道开裂现象。②若基坑开挖边界与燃气管道水平间距不足，当基坑土体的水平变形过大时，可能使管道在偏压状态下出现应力开裂现象。为保障燃气管道不受周边基坑开挖的影响，在选线敷设时应考虑到管道与基坑开挖边界的相互位置关系。

基坑施工中为确保周边重要管线的正常使用，控制工程造价，常常采用悬臂桩对基坑进行支护，形成悬臂桩基坑，但相关规范[1～3]并未就上述问题作具体规定。目前燃气管道与悬臂桩基坑之间的相互作用研究基本上处于空白状态。因此，埋地燃气管道与开挖基坑之间的相互位置关系仍值得深入研究[4]。本文主要针对燃气管道沿悬臂桩基坑开挖边界附近区域平行敷设时宜采用的安全间距进行研究，期望对相关工程的选线及施工有所帮助。

2 管道与悬臂桩的相互作用及安全间距

2.1 管道与悬臂桩支护基坑的相对位置

《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006，以下简称《燃规》)明确规定了不同设计压力下管道与建筑物基础、外墙之间的最小水平净距，但尚未针对管道与基坑开挖边界的间距取值作具体规定，若将上述一般规定直接应用于基坑支护结构，就与文献[5]所规定的基坑开挖水平影响范围不符。

分析认为，采用悬臂桩对基坑进行支护，在悬臂桩附近将产生一定的土拱效应，土拱效应的发挥对桩间土体的稳定性起关键作用，继而关系到基坑开挖边界附近燃气管道的弯曲应力状态。土拱效应最初是由Terzaghi提出[6]，在悬臂桩基坑中土拱效应表现为将悬臂桩视为等效的拱脚，凭借悬臂桩的支挡作用以及桩间土的抗剪强度保持桩间土的稳定性。目前针对悬臂桩间土拱效应的研究已有一定进展[7～9]，而土拱效应在我国的管道设计施工技术领域尚未得到有效应用。需要指出，燃气管道与基坑开挖边界之间的距离很大程度上将影响管道的受力大小及变形程度。若管道敷设位置距基坑开挖边界较近，悬臂桩之间的土拱效应受管道的影响，靠基坑一侧的桩间土易产生垮塌的现象，促使管道两侧所受土压力出现不平衡现象，形成偏压管道。若弯曲应力超过管道的屈服应力时，易发生因管道应力损伤的燃气泄漏事故。

研究发现，为避免燃气管道出现过大的弯曲应力，管道应敷设在土拱效应有效发挥的区域之外。假定相邻两根悬臂桩圆心连线的中点为坐标原点O，沿悬臂桩排列的方向为x方向，垂直于悬臂桩排列的方向为y方向，xOy平面与基坑开挖前的地平面重合，自原地面竖直向下为名轴的正方向。管道位于土拱效应有效发挥的区域之外的情形见图1。此时，管道周边土压力分布相对均匀。

若管道外边缘距基坑开挖边界的距离l较小，管道将穿越土拱效应有效发挥的区域。管道穿越了土拱效应有效发挥的区域的情形见图2。 这种情况下，管道外边缘距基坑开挖边界的距离l小于拱圈内侧矢高f和桩直径d之和，相邻两根悬臂桩之间的土拱效应减弱，悬臂桩间常无挡土板支护(若桩间采用挡土板，则造价较高)，部分土体将向基坑一侧发生垮塌现象，造成管道两侧土压力不平衡，管道产生一定的弯曲变形，管道的弯曲应力也随之显著增加，易出现应力破坏的迹象。据此，燃气管道外边缘与基坑开挖边界之间的距离应满足： l≥f+d (1)

式中l——燃气管道外边缘与基坑开挖边界之间的距离，m

f——土拱效应作用时，拱圈内侧矢高，m d——悬臂桩直径，m

2.2 无粘性土基坑土拱作用范围分析

无粘性土(砂土)基坑桩间通常加设挡土板，拱圈内侧矢高厂可用卸荷拱理论进行计算，可设拱圈内侧几何形态符合二次抛物线方程，即：

式中L——相邻两根悬臂桩的净距，m φ——管道周边土体的内摩擦角，(°)

由式(1)、(2)可估算燃气管道与无粘性土基坑开挖边界之间的安全距离l。

2.3 粘性土基坑土拱作用范围分析

对于粘性土，用式(2)计算的结果偏大，而该领域土拱效应的研究目前仍处于起步阶段[7]，大多数学者认为临界状态下土拱的形状符合合

理拱轴线方程，坐标系按上述规定建立时，拱圈内侧的曲线方程可表示为：

通过调查分析贵阳、重庆等地穿越基坑地段管道的破坏模式，桩间土多沿悬臂桩两侧发生整体剪切破坏(见图2)，造成管道部分暴露或遭受偏压作用。因此，本文将悬臂桩桩身两侧位置视为危险区域，据此分析燃气管道与粘性土覆盖区域悬臂桩基坑开挖边界的安全间距。

通过拱形结构的受力分析可知，若假定原开挖地面向下为z轴的正方向，则微元dz深度范围内，剪切面附近的轴力可近似表示为：

式中FN——剪切面附近的轴力，kN

pe——深度为z的平面上土拱拱顶处作用的水平土压力，kPa

在基坑工程中，根据朗肯理论可以得到：

式中γ——管道周边土体的重度，kN/m3 pc——管道周边粘性土的粘聚力，kPa

根据合理拱轴线上土拱结构的受力特征，即拱圈任意截面上的弯矩和剪力为0，而只存在轴力作用，且临界状态时基坑内侧土体已开挖，拱圈内侧土体的抗力可忽略。因此，沿拱轴线方向为主应力作用方向，若不考虑中间主应力的影响，采用Mohr-Coulomb强度准则，可建立如下关系：

式中σN——沿拱轴线方向的应力，kPa

将式(6)代入式(4)中，可得到粘性土拱圈内侧矢高f的控制方程：

当土拱拱顶处作用的水平土压力pe满足式(8)：

化简得到拱圈内侧矢高f的表达式：

由式(1)、(9)可估算燃气管道与粘性土基坑开挖边界之间的安全距离l。用上述方法计算偏于安全，若要得到更为准确的计算式，则需建立更为复杂的力学模型，需运用迭代法求解，对于一般的工程增加了实际应用的难度。对于复杂、重要的工程，有必要考虑管道与基坑的相互作用关系，单纯凭借解析方法很难得到理想的结果。因此，对重要工程借助数值方法建立合理的有限元模型，不失为一种经济可靠的研究方法[10]。 3 有限元模型的建立

为进一步研究燃气管道与基坑间的相互作用关系，本文运用三维有限元模型来具体探讨主要设计参数对燃气管道的影响。考虑到悬臂桩沿x方向布置具一定的对称性，可取相邻两根桩之间的管道、基坑进行分析。为使研究结果具有一定的代表性，本文取基坑深度为6.0m，桩直径为0.6m，基坑土体沿y轴的正、负方向各取10倍桩直径，假定基坑底部为岩石地基，悬臂桩嵌入岩石地基的深度取5倍桩直径。为考虑燃气管道与周边介质的相互作用，计算模型均采用实体单元，岩石地基和土体均采用Drucker-Prager屈服准则，管道及悬臂桩均采用线弹性模型，燃气压力施加于管道内壁。对岩石地基底部施加固定约束，对岩石地基前后两侧施加y方向位移约束，燃气管道外壁与周边

土体间摩擦系数取0.3。桩间净距L取3.0m，作用于土拱拱顶附近的水平土压力pe取40kPa。模型基本计算参数取值见表1。用ANSYS有限元软件建立的有限元计算模型见图3。

表1 模型基本计算参数取值 项目 密度/(kg·m-3) 1850 2150 2300 7800 930 弹性模量/MPa 1.4 1500.0 25000.0 泊松比 0.30 0.25 0.20 内摩擦角粘聚力/(°) /kPa 15 35 — — — 15 350 — — — 土体 岩体 桩体 钢管 PE80管 210000.0 0.30 510.0 0.35 4 参数敏感性研究

《燃规》一般根据燃气管道设计压力级别选取相应的管材，规定聚乙烯管主要适用于压力不大于0.4MPa的埋地燃气管道，而钢管的适用性相对较广。依据《燃规》对燃气管材的要求，本文有针对性地对管道类型作了选择(见表2)。鉴于《燃规》对高压、次高压燃气管道与建筑物之间的距离要求较高，燃气管道敷设在规定间距范围以外基本不受基坑开挖的影响，因此，本文的参数敏感性分析重点针对中、低压燃气管道与悬臂桩基坑之间的安全间距作进一步探讨。

表2 管道类型 管材材质 PE80 Q235B 设计压力/MPa 0.4 0.4 外径/mm 200 219 公称壁厚/mm 18.2 4.0 实际工程中，中、低压燃气管道可采用聚乙烯管道或钢质管道，通过有限元计算发现，随着设计压力的增加，管道x方向的弯曲应力略有增长，但总体上看影响不大。据此，为了使得研究结论偏于安全，本文取设计压力为0.4MPa进行研究。 4.1 聚乙烯管与钢管的对比

对于聚乙烯PE80管材，管道的弯曲变形量不应超过允许值，x方向最大弯曲应力不应大于屈服应力(4.0MPa)，即可满足使用要求。对于钢管，x方向最大弯曲应力不宜超过其屈服应力的75%。

假定管道距基坑开挖边界的水平间距l取3.0m，管顶覆土厚度(以下简称埋深)取0.9m，则该工况下PE80管x方向最大弯曲应力已达到屈服应力的58.4%，管道弯曲变形较大，而Q235B钢管仅达到屈服应力的32.7%。计算发现，改变管道与开挖边界的距离时，PE80管x方向最大弯曲应力与其屈服应力的比值比Q235B钢管大。因此，对于沿基坑周边敷设的中、低压埋地燃气管道，建议采用钢管，若采用聚乙烯燃气管道，应根据实际情况适当增加管道的壁厚。 4.2 管道埋深的影响

运用一般的解析模型不能深入反映燃气管道与悬臂桩相互作用的空间特性，为了进一步研究中、低压燃气管道埋深与基坑开挖边界水平间距的关系，管道的实际埋深，本文重点对0.6～2.6m埋深范围内的管道进行有限元计算。计算发现，随着水平间距及管道埋深的增加，管道x方向最大弯曲应力逐渐减小，PE80管x方向最大弯曲应力分布见图4，Q235B钢管x方向最大弯曲应力分布见图5。

可以看出，若PE80管水平间距≥3m，在一般埋深范围内管道不会出现应力破坏现象；当管道水平间距较小时，桩间的土拱结构遭破坏，管道弯曲应力较大，易出现韧性应力开裂等隐患。Q235B钢管由于受管材规格限制，中、低压钢质燃气管道应力安全储备相对较高。通过对其进行大量的有限元计算发现，当Q235B钢管与基坑开挖边界的水平间距大于1.5m时，即可保证因偏压所致的弯曲应力最大不超过管材屈服应力的75%。 4.3 土体性质的影响

一般认为，土体性质对管道影响较大的参数主要包括抗剪强度和弹性模量。

对于土体抗剪强度的影响，本文通过改变管道周边土体的抗剪强度参数来分析管道周边土体对管道与基坑开挖边界安全间距取值的影响。土体抗剪强度参数主要包括土体的内摩擦角φ及粘聚力pc。因此本文对土体抗剪强度采用4种工况进行计算，1～4工况内摩擦角φ分别取10°、15°、20°、25°，粘聚力pc分别取10、15、20、25kPa。通过计算发现，无论选取何种管材，管道与基坑开挖边界安全间距均随管道周边土体内摩擦角φ及粘聚力pc的增加而增加，管道朝基坑方

向的侧向位移也随之减小。当计算模型选用的水平间距和埋深均为1m时，PE80管的水平位移见图6。

需要注意的是，土体弹性模量对燃气管道与悬臂桩基坑开挖边界安全距离影响也不容忽视。若土体的弹性模量较小，且管道穿越土拱效应有效发挥的区域时，则管道的偏压现象极为明显，管道x方向的弯曲应力显著增大，易产生应力破坏现象。大量计算表明，PE80管水平间距大于3m、中低压钢质管道水平间距大于1.5m时，土体弹性模量对管道弯曲应力的影响较小，一般不易产生应力破坏现象。 5 结论

① 燃气管道与基坑开挖边界的最小安全间距与管道周边土体的土拱效应密切相关，管道敷设应尽量避免穿越土拱效应有效发挥的区域。该类工程的安全间距一般可按式(1)、(2)、(9)进行估算。对重要穿越工程，建议采用数值方法、模型试验等多种手段进行综合研究，制定合理的施工方案。

② 场地条件允许时，燃气管道敷设应尽量避免在基坑开挖影响范围(1.2～1.5倍基坑开挖深度)内进行。如受现场用地条件制约需沿基坑周边敷设时，应采用非开挖等扰动相对较小的施工方案进行敷设。管道的选材、敷设应考虑基坑开挖方案的影响，若岩石地基采用爆破开挖等对周边环境扰动较大的施工措施时，应优先选用聚乙烯管道，并适当增加安全间距的取值。

③ 燃气管道与悬臂桩基坑开挖边界安全间距的取值受多种复杂因素所控制，通过建立大量的有限元模型进行分析发现，影响安全间距取值的参数按敏感性从大到小排列，依次为管道周边土体抗剪强度、弹性模量、管道埋深、管材类型和设计压力。 参考文献：

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(本文作者：董捷1 黄小美2 张永兴1 1.重庆大学 土木工程学院 重庆 400045；2.重庆大学 城市建设与环境工程学院 重庆 400045)