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深基坑開挖對(duì)鄰近地下管線影響的安全評(píng)價(jià)

文檔作者：王有林1,2,許曉霞1,陳楠1 文檔來源： 1. 中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 2. 國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年12月03日
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文章編號(hào):1006—2610(2016)06—0097—04
深基坑開挖對(duì)鄰近地下管線影響的安全評(píng)價(jià)
王有林1,2,許曉霞1,陳　楠1
(1. 中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安　710065;
2. 國家能源水電工程技術(shù)研發(fā)中心高邊坡與地質(zhì)災(zāi)害研究治理分中心,西安　710065)
摘　要:基坑開挖改變了原有土體的應(yīng)力平衡,使得相鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體側(cè)移,必然導(dǎo)致地下管線向基坑內(nèi)方向發(fā)
生變形。文章基于某深基坑工程,采用數(shù)值模擬研究了基坑開挖、加載支護(hù)過程中邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變以及對(duì)黑河管
線的影響程度等,通過對(duì)深基坑水平位移值、黑河管道總變形控制值的論證,提出了其相應(yīng)的安全預(yù)警值,為基坑
安全應(yīng)急預(yù)案的制定提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:深基坑;地下管道;數(shù)值分析;控制標(biāo)準(zhǔn);安全評(píng)價(jià)
中圖分類號(hào):TU473. 2　　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A　　　　DOI:10. 3969/ j. issn. 1006-2610. 2016. 06. 025
Safety Assessment of Impacts from Deep Foundation Pit Excavation on Neighboring Underground Pipeline
WANG Youlin 1,2 , XU Xiaoxia1 , CHEN Nan1
(1. Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an　710065,China; 2. High Slope and Geological Hazard Research
Treatment Division of China Hydropower Technology Research and Development Center, Xi'an　710065,China)
Abstract:The foundation pit excavation changes the stress balance of the original soil mass causing the neighboring support structure and soil
mass to displace laterally. This definitely results in deformation of underground pipeline inward the foundation pit. Based on one deep foundation
it, in the paper and by application of data analogy, the slope stress and strain during the pit excavation and support by loading as well as
the impacts by the stress and strain on the pipeline are studied. Through demonstration on the horizontal displacement value of the foundation
pit and the total deformation control value of the pipeline, the corresponding safety alert value is proposed. This provides preparation of safety
emergency plan of the foundation pit with reference.
Key words:deep foundation pit; underground pipeline; data analysis; control standard; safety assessment
　　收稿日期:2016-10-24
　　作者簡(jiǎn)介:王有林(1983- ),男,青海省互助縣人,工程師,主要
從事水利水電工程地質(zhì)勘察和地質(zhì)災(zāi)害防治方面的生產(chǎn)科研工作.
0　前　言
隨著中國城市化進(jìn)程的不斷加快和建筑用地日
趨減少,各種市政及軌道交通項(xiàng)目陸續(xù)開工建設(shè),同
時(shí)高層住宅、大型商業(yè)化設(shè)施也不斷增多,從而使得
工程建設(shè)中深基坑工程越來越多。基坑開挖不可避
免地會(huì)造成周圍地層擾動(dòng),對(duì)周邊建筑、地鐵隧道、
大型地下管線等產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形,從而造成一
定程度的損傷或破壞性影響。作為城市生命線工程
的地下線纜、排水管網(wǎng)等管道工程,因其隱蔽性導(dǎo)致
破壞不易發(fā)覺[1] ,一旦產(chǎn)生破壞不僅會(huì)引起重大的
經(jīng)濟(jì)損失,更將造成嚴(yán)重的社會(huì)及政治影響,且其損
失是不可挽回的。
基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響預(yù)測(cè)與控制技術(shù)研究
是一項(xiàng)非常重要的課題[2] ,已引起廣大科研、設(shè)計(jì)
及施工人員的重視?，F(xiàn)有研究分為2 類:一類是采
用有限元數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行整體建模,模擬基坑開
挖過程對(duì)鄰近管道的影響[3-7] ;另一類是位移控制
分析方法[8] ,不關(guān)注基坑開挖施工過程,將基坑開
挖引起的土體位移作為控制條件,分析管道的受力
和變形。
本文以西安某深基坑工程為依托,采用數(shù)值模
擬手段,分析基坑開挖過程及開挖完成后對(duì)鄰近管
道的影響,在此基礎(chǔ)上提出管道位移和強(qiáng)度的控制
標(biāo)準(zhǔn),從而為施工提供依據(jù)。
1　工程概況
1. 1　基坑總體布置
某項(xiàng)目基坑形狀為三角形,自北向南逐漸變小,
基坑南北方向長約250 m,北側(cè)寬約150 m,南側(cè)寬
西北水電·2016 年·第6 期 97
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萬方數(shù)據(jù)
約22 m。基坑?xùn)|側(cè)為G 地塊,與H 基坑相距約50
m。基坑開挖深度為18. 2 ~28. 1 m,采用排樁+預(yù)應(yīng)
力錨索支護(hù)方案?；?xùn)|側(cè)為黑河輸水隧洞(以下
簡(jiǎn)稱“黑河管線”),管線與基坑?xùn)|側(cè)邊線平行,管線
中心距基坑?xùn)|側(cè)壁水平距離為21 m,埋深為現(xiàn)地面
下21 ~22 m(見圖1)。
圖1　基坑與黑河管線的位置關(guān)系圖　　單位:mm
黑河管線為素混凝土結(jié)構(gòu),管道外截面呈馬蹄
形,開挖毛斷面約3. 3 m×3. 3 m,襯砌厚度300 ~350
mm。管線分倉、分段澆筑施工,每段長度20 m,接
茬處埋設(shè)止水膠條。目前基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案已進(jìn)入
黑河引水管渠的控制區(qū)域,需進(jìn)行基坑開挖、支護(hù)及
使用過程中對(duì)引水管線影響的安全評(píng)價(jià)。
1. 2　基本工程地質(zhì)條件
基坑地層自上而下依次分布如下:① 素填土,
一般厚0. 3 ~5. 0 m;② 黃土,中等濕陷性,層厚1. 8
~9. 4 m;③ 古土壤,不具濕陷性,層厚2. 5 ~4. 4 m;
④ 黃土,具輕微濕陷性,層厚8. 2 ~10. 0 m;⑤ 古土
壤,不具濕陷性,層厚4. 0 ~5. 2 m;⑥ 黃土,不具濕
陷性,層厚3. 3 ~5. 0 m;⑦ 古土壤,層厚2. 5 ~ 4. 0
m;⑧ 黃土,層厚2. 9 ~4. 0 m;⑨ 古土壤,層厚2. 6
~3. 4 m;⑩ 黃土,層厚4. 4 ~5. 8 m;?1 古土壤,層
厚3. 1 ~3. 5 m;?12 黃土,最大揭露厚度0. 5 m,最大
鉆探深度45 m;?13 古土壤,層厚1. 1 ~3. 8 m。
2　三維計(jì)算模型的建立
2. 1　模型尺寸
基于有限元的基本理論,利用MIDAS/ GTS 建
立三維模型,分析基坑開挖對(duì)鄰近黑河管線的影響。
為便于分析作以下假定:① 地下管線為等直徑、等
壁厚且不考慮接頭影響,材料本構(gòu)關(guān)系按線彈性考
慮;② 土體假定為連續(xù)介質(zhì)線彈性體;③ 假定管線
與周圍土體始終緊密接觸,即變形過程中管線與土
體沒有相對(duì)滑動(dòng)或發(fā)生脫離。
為了消除邊界條件的影響,考慮到基坑?xùn)|側(cè)50
m 以外的G 地塊基坑已經(jīng)開挖的現(xiàn)狀,三維模型計(jì)
算邊界取為410 m×150 m×50 m。按實(shí)際施工順序
進(jìn)行數(shù)值模擬,分析基坑開挖對(duì)黑河管道整體變形
造成的影響。在實(shí)際模擬中,基坑開挖的實(shí)際結(jié)構(gòu)
尺寸、施工工法、黑河管道的埋深、襯砌厚度等均按
實(shí)際情況考慮;土層視為理想彈塑性體,強(qiáng)度準(zhǔn)則采
用摩爾-庫倫準(zhǔn)則;灌注樁、旋噴錨索以及黑河管道
襯砌等均采用彈性本構(gòu)模擬。其中旋噴錨索采用植
入式桁架單元,灌注樁(采用等效剛度換算截面)及
管道襯砌采用板單元模擬。三維整體有限元計(jì)算模
型及支護(hù)結(jié)構(gòu)布置見圖2、3。
圖2　三維有限元模型網(wǎng)格圖
圖3　三維模型支護(hù)結(jié)構(gòu)空間布置圖
計(jì)算模型的位移邊界條件為:yz 面上x 方向位
移被約束,y、z 方向位移自由;xz 面上y 方向位移被
約束,x、z 方向位移自由:模型底面xy 為固定約束;
另外,模型四角豎線上點(diǎn)的xy 方向位移被約束。
2. 2　計(jì)算參數(shù)選取
計(jì)算參數(shù)的選取主要依據(jù)巖土工程勘察報(bào)告,
同時(shí)參考了西安地區(qū)典型土層的物理力學(xué)參數(shù)指
標(biāo),計(jì)算采用土層參數(shù)見表1,其結(jié)構(gòu)單元截面特性
見表2。根據(jù)勘察報(bào)告,場(chǎng)地內(nèi)地下水水位位于隧
98 王有林,許曉霞,陳楠. 深基坑開挖對(duì)鄰近地下管線影響的安全評(píng)價(jià) ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
萬方數(shù)據(jù)
道底板以下,故本次模擬不考慮基坑降水的影響。
表1　土層物理力學(xué)參數(shù)
土層
重度
/ (kN·m-3)
彈性模量E
/ MPa
泊松比
μ
C
/ kPa
φ
/ (°)
① 18. 1 6 0. 32 15 15
② 15. 9 25 0. 3 22 23
③ 18. 0 33 0. 3 30 22. 5
④ 16. 3 29 0. 3 24 22. 5
⑤ 18. 2 40 0. 3 32 23
⑥ 17. 7 35 0. 3 28 22. 5
⑦ 18. 4 45 0. 29 35 23
⑧ 18. 1 42 0. 29 28 22
⑨ 18. 3 43 0. 28 33 22
⑩ 18. 9 48 0. 28 30 20. 5
?1 19. 4 58 0. 28 30 20. 5
?12 18. 0 70 0. 28 30 20. 5
表2　結(jié)構(gòu)單元特性表
結(jié)構(gòu)單元類型
間距
/ m 截面
隧道襯砌梁1. 5 0. 35 m×1 m
預(yù)應(yīng)力錨索植入式桁架1. 5 截面積560 m2
灌注樁1 梁1. 5 圓形D =0. 8 m
灌注樁2 梁1. 5 圓形D =1. 0 m
2. 3　基坑分布開挖模擬過程
參照設(shè)計(jì)方案,開挖模擬步驟為:(1) 初始狀態(tài)
→(2) 施工上排樁→(3) 開挖→(4) 施工錨索→
(5) 開挖→(6) 施工錨索→……,(12) 依次施工至
平臺(tái)段→(13) 施工下排樁→(14) 開挖→(15) 施
工錨索→……,依次施工直至基坑坑底為止(見圖
4)。每層開挖深度2. 5 m,分別模擬開挖至平臺(tái)段
和坑底時(shí)管線所受的最大應(yīng)力和位移。
圖4　開挖模擬步驟圖　單位:m
3　數(shù)值分析
3. 1　基坑變形分析
根據(jù)開挖支護(hù)過程模擬分析,上半部分在施工
的11 種工況下,水平位移最大值為-6. 69 ~ 7. 21
mm,工況序號(hào)為(11),最大變形量位于上半部分基
坑坑底13. 6 m 處,坑底隆起1. 37 cm;下半部分在
施工的9 種工況下,水平位移最大值為-13. 56 ~
5. 64 mm,工況序號(hào)為(20),最大變形量位于下半部
分基坑坑底28. 1 m 處,坑底隆起值為14. 4 mm(見
圖5)。地表沉降值在開挖至平臺(tái)階段為1 mm,開
挖完成階段為1. 5 mm。基坑頂部水平和垂直位移
均不足15 mm,滿足基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)。
圖5　開挖完成后總變形矢量圖
3. 2　圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析
(1) 錨索軸力
在開挖至平臺(tái)段~ 開挖至坑底這一施工過程
中,錨索軸力最大值的位置不同,開挖至坑底時(shí)對(duì)應(yīng)
的錨索軸力最大,為1 005. 31 kN。
(2) 灌注樁變形分析
灌注樁在開挖過程中變形量較小,開挖至平臺(tái)
段時(shí)x 方向變形量為2. 78 mm,z 方向變形量為2. 08
mm;開挖至坑底時(shí)x 方向變形量為4. 14 mm,z 方向
變形量為12. 53 mm。變形量均未超過15 mm,滿足
灌注樁變形控制要求。灌注樁最大彎矩發(fā)生在開挖
至坑底,彎矩值為961. 9 kN/ m2,小于0. 2 倍極限彎
矩值,支護(hù)結(jié)構(gòu)安全級(jí)別達(dá)到一級(jí),正常情況下無需
采取措施。
3. 3　黑河管線變形分析
當(dāng)基坑開挖至平臺(tái)段時(shí),黑河管線受其開挖影
響總變形量最大值為2. 5 mm,x、z 方向最大變形量
分別為2. 3 mm、-0. 97 mm;當(dāng)基坑開挖至坑底時(shí),
黑河管線受其開挖影響總變形量達(dá)到2. 89 mm(見
圖6),x、z 方向最大變形量分別為2. 84 mm、-1. 24
mm。由此可見,黑河管線受基坑開挖影響主要發(fā)生
在上半部基坑施工過程,黑河管線x 方向變形為z
方向的2 倍,主要為水平位移,總體變形與開挖變形
趨勢(shì)一致,即其變形主要取決于周邊土體變形值的
西北水電·2016 年·第6 期 99
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萬方數(shù)據(jù)
大小。z 方向變形量為負(fù)值,代表為沉降變形。
圖6　基坑開挖至坑底管線變形云圖
3. 4　管線安全評(píng)價(jià)
基坑開挖改變了原有土體的應(yīng)力平衡,使得相
鄰支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移,土體也隨之發(fā)生側(cè)移,必然導(dǎo)致地
下管線發(fā)生向基坑內(nèi)方向的變形,當(dāng)位移達(dá)到變形
的極限值時(shí),將會(huì)引起拉裂破壞。同時(shí)土體位移作
用在管線上,將產(chǎn)生附加應(yīng)力,當(dāng)附加應(yīng)力超過管線
材料抗拉強(qiáng)度時(shí),管線將發(fā)生破裂。
(1) 容許強(qiáng)度
地下管線處于安全狀態(tài),強(qiáng)度需滿足:
δmax ≤ δ (1)
式中:δmax為管線截面所受的最大應(yīng)力;δ 為管線材
料的容許強(qiáng)度。
根據(jù)數(shù)值計(jì)算,最大主應(yīng)力在基坑開挖至平臺(tái)
段時(shí)為148 kPa,開挖至坑底段時(shí)為121 kPa,均遠(yuǎn)小
于C15 混凝土的強(qiáng)度,因此單從應(yīng)力角度看不會(huì)引
起隧洞混凝土破壞,控制管線安全的主要因素為土
層變形引起的管線位移量。
(2) 容許變形量
現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定[9] ,當(dāng)?shù)叵鹿芫€累計(jì)位移量不超過
10 mm 時(shí),可滿足變形控制要求。鑒于黑河管線屬早
期設(shè)計(jì)建造的輸水工程,混凝土襯砌標(biāo)號(hào)不高,設(shè)計(jì)
采用標(biāo)準(zhǔn)較低,且目前管線已存在小量滲漏等實(shí)際現(xiàn)
狀,從管道構(gòu)件安全、耐久的角度出發(fā),現(xiàn)行規(guī)范控制
標(biāo)準(zhǔn)偏低。黑河管線在本基坑段長約210 m,本段最
多有12 處分倉接頭。管道各分段鋼筋混凝土構(gòu)件可
視為剛形體,因基坑開挖引起的附加應(yīng)力遠(yuǎn)小于自身
材料的強(qiáng)度,因而各分段自身不形成裂縫,相對(duì)而言
接縫處強(qiáng)度較低,認(rèn)為裂縫主要在各段連接頭處產(chǎn)
生。根據(jù)SL654—2014《水利水電工程合理使用年限
及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》[10] ,地下環(huán)境條件下,混凝土構(gòu)
件正截面的表面最大裂縫寬度不能超過0.3 mm。也
就是各接頭處裂縫寬度不能超過0. 3 mm,若接頭處
產(chǎn)生的裂縫大于0. 3 mm,則認(rèn)為管道將產(chǎn)生滲漏等
問題。12 處接頭產(chǎn)生的最大容許變形量為3. 6 mm
(12×0.3 mm),且不允許產(chǎn)生大于0. 3 mm 的差異性
變形。通過前述數(shù)值計(jì)算結(jié)果,黑河管線最大變形量
為2.9 mm<3.6 mm,滿足管線控制變形要求。表3 為
黑河管道變形控制標(biāo)準(zhǔn)。
表3　黑河管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)
管線長度
/ m
接頭數(shù)
/ 個(gè)
差異沉降量
/ mm
許變形量
/ mm
210 12 0. 3 3. 6
4　結(jié)　語
(1) 通過數(shù)值模擬,基坑坑壁和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最
大變形量均滿足變形控制要求;灌注樁產(chǎn)生的彎矩
小于0. 2 倍極限彎矩,支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力安全評(píng)價(jià)級(jí)別
為一級(jí),正常情況下無需采取其他措施。
(2) 黑河管線因基坑開挖遭受的附加應(yīng)力最大
值遠(yuǎn)小于材料自身強(qiáng)度,從應(yīng)力角度不會(huì)引起管線
破裂,控制管線安全的主要因素為土層側(cè)移引起的
管線累計(jì)位移量和差異性變形量。
(3) 根據(jù)混凝土最大裂縫寬度限值,提出了管
線在該段最大容許變形量和差異性沉降差值。通過
計(jì)算,基坑開挖產(chǎn)生的土體位移量小于管線容許變
形量,滿足管線變形控制標(biāo)準(zhǔn)。
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100 王有林,許曉霞,陳楠. 深基坑開挖對(duì)鄰近地下管線影響的安全評(píng)價(jià)

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