西北水电・２０１６年・第６期 文章编号：１００６－－２６１０（２０１６）０６—００９７—０４ 深基坑开挖对邻近地下管线影响的安全评价 王有林 ，许晓霞 ，陈楠 （１．中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安７１００６５； ２．国家能源水电工程技术研发中心高边坡与地质灾害研究治理分中心，西安７１００６５） 摘要：基坑开挖改变了原有土体的应力平衡，使得相邻支护结构和土体侧移，必然导致地下管线向基坑内方向发 生变形。文章基于某深基坑工程，采用数值模拟研究了基坑开挖、加载支护过程中边坡的应力、应变以及对黑河管 线的影响程度等，通过对深基坑水平位移值、黑河管道总变形控制值的论证，提出了其相应的安全预警值，为基坑 安全应急预案的制定提供了依据。 关键词：深基坑；地下管道；数值分析；控制标准；安全评价 中图分类号：ｎ『４７３．２ 文献标志码：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 Ｘｉａｏｘｉａ ，ＣＨＥＮ Ｎａｎ （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 ｏｒｉｉｇｎａｌ ｓｏｉｌ Ｉ／ｌａＳＳ ｃａｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｎａｄ ｓｏｉｌ ｎｌａ￣ｓ ｔｏ ｄｉｓｐｌａｃｅ ｌａｔｅｒａｌｌｙ． ｒｈｉｓ ｄｅｆｉｎｉｔｅｌｙ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｉｎｗａｒｄ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｎｅ ｄｅｅｐ ｆｏｕｎｄａ－ ｔｉｏｎ ｉｔ，ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｎｄ ｂｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄａｔａ ａｎａｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｓｌｏｐｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｄｕｒｉｎｇ ｈｔｅ ｐｉｔ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｐｐｏｒｔ ｂｙ ｌｏａｄｉｎｇ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｈｔｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｂｙ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｏｎ ｔｈｅ ｐｉｐｅｈｎｅ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｈｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｌｕｅ ｆｏ ｔｈｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｓａｆｅｔｙ ａｌｅｒｔ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｐｌｎａ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ ｗｉｔｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅ印ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｐｉｔ；ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔａｎｄａｒｄ；ｓａｆｅｔｙ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ０前言 基坑开挖对周边环境影响预测与控制技术研究 随着中国城市化进程的不断加快和建筑用地Ｅｔ 是一项非常重要的课题＿２ Ｊ，已引起广大科研、设计 趋减少，各种市政及轨道交通项目陆续开工建设，同 及施工人员的重视。现有研究分为２类：一类是采 时高层住宅、大型商业化设施也不断增多，从而使得 用有限元数值计算方法进行整体建模，模拟基坑开 工程建设中深基坑工程越来越多。基坑开挖不可避 挖过程对邻近管道的影响［３ ；另一类是位移控制 免地会造成周围地层扰动，对周边建筑、地铁隧道、 分析方法 ，不关注基坑开挖施工过程，将基坑开 大型地下管线等产生附加应力和变形，从而造成一 挖引起的土体位移作为控制条件，分析管道的受力 定程度的损伤或破坏性影响。作为城市生命线工程 和变形。 的地下线缆、排水管网等管道工程，因其隐蔽性导致 本文以西安某深基坑工程为依托，采用数值模 破坏不易发觉 Ｊ，一旦产生破坏不仅会引起重大的 拟手段，分析基坑开挖过程及开挖完成后对邻近管 经济损失，更将造成严重的社会及政治影响，且其损 道的影响，在此基础上提出管道位移和强度的控制 失是不可挽回的。 标准，从而为施工提供依据。 １ 工程概况 收稿日期：２０１６－１０—２４ １．１基坑总体布置 作者简介：王有林（１９８３一），男，青海省互助县人，工程师，主要 某项目基坑形状为三角形，自北向南逐渐变小， 从事水利水电工程地质勘察和地质灾害防治方面的生产科研工作． 基坑南北方向长约２５０ Ｉｎ，北侧宽约１５０ Ｉｎ，南侧宽 ９８ 王有林，许晓霞，陈楠．深基坑开挖对 近地下管线影响的安全评价 约２２ ｆｆｌ。基坑东侧为Ｇ地块，与Ｈ基坑相距约５０ 立 维模型，分析基坑开挖对邻近黑河管线的影响。 为便于分析作以下假定：①地下管线为等直径、等 壁厚且不考虑接头影响，材料本构关系按线弹性考 ｍ。基坑开挖深度为１８．２～２８．１ ｍ，采用排桩＋预应 力锚索支护方案。基坑东侧为黑河输水隧洞（以下 简称“黑河管线”），管线与基坑东侧边线平行，管线 虑；②土体假定为连续介质线弹性体；③假定管线 与周围土体始终紧密接触，即变形过程巾管线与土 体没有相对滑动或发生脱离。 为了消除边界条件的影响，考虑剑基坑东侧５０ ｍ以外的Ｇ地块基坑已经开挖的现状，．二维模型计 中心距基坑东侧壁水平距离为２ｌ ＩＩｌ，埋深为现地面 下２１～２２ ｍ（见图１）。 冠梁 ８５０Ｏ 算边界取为４１０ ｍｘ１５０ ｍｘ５０ ｍ。按实际施＿Ｔ顺序 进行数值模拟，分析基坑开挖对黑河管道整体变形 平台 动 造成的影响。在实际模拟中，基坑开挖的实际结构 尺寸、施Ｔ工法、黑河管道的埋深、衬砌厚度等均按 实际情况考虑；土层视为理想弹塑性体，强度准则采 黑 河 管 ｌ０００ 用摩尔一库伦准则；灌注桩、旋喷锚索以及黑河管道 衬砌等均采用弹性本构模拟。其中旋喷锚索采用植 入式桁架单元，灌注桩（采用等效刚度换算截面）及 道 中 心 管道衬砌采用板单元模拟。三维整体有限元计算模 黑河隧洞 制线 线 柱底 型及支护结构布置见图２、３。 图１ 基坑与黑河管线的位置关系图 单位：ｍｍ 黑河管线为素混凝土结构，管道外截面呈马蹄 形，开挖毛断面约３．３ ｍ￣３．３ ｍ，衬砌厚度３００～３５０ ｍｉｌｌ。管线分仓、分段浇筑施工，每段长度２０ ｍ，接 黑 茬处埋设止水胶条。目前基坑支护设计方案已进入 黑河引水管渠的控制区域，需进行基坑开挖、支护及 使用过程中对引水管线影响的安全评价。 １．２基本工程地质条件 图２ 三维有限元模型网格图 基坑地层自上而下依次分布如下：①素填土， 一般厚０．３～５．０ ｍ；②黄土，中等湿陷性，层厚１．８ ～９．４ ｍ；③古土壤，不具湿陷性，层厚２．５～４．４ ｍ； 图３ 三维模型支护结构空间布置图 ④黄土，具轻微湿陷性，层厚８．２～１０．０ ｍ；⑤古土 壤，不具湿陷性，层厚４．０～５．２ ｍ；⑥黄土，不具湿 陷性，层厚３．３～５．０ ｍ；⑦古土壤，层厚２．５～４．０ ｍ；⑧黄土，层厚２．９～４．０ ｍ；⑨古土壤，层厚２．６ ～计算模型的位移边界条件为： 面上 方向位 移被约束，Ｙ、ｚ方向位移自由；船面上Ｙ方向位移被 约束， 、。方向位移自由：模型底面 为同定约束； 另外，模型四角竖线上点的 方向位移被约束。 ２．２计算参数选取 ３．４ ｍ；⑩黄土，层厚４．４～５．８ ｍ；⑩古土壤，层 厚３．１～３．５ ｍ；⑥黄土，最厚度０．５ ｍ，最大 钻探深度４５ １１１；⑩古土壤，层厚１．１～３．８ ｍ。 计算参数的选取主要依据岩土Ｔ程勘察报告， 同时参考了西安地区典型土层的物理力学参数指 标，计算采用土层参数见表１，其结构单元截面特性 见表２。根据勘察报告，场地内地下水水位位于隧 ２ ｒ算模型的建立 基于有限元的基本理论，利用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ建 ２．１模型尺寸 西北水电・２０１６年・第６期 ９９ 道底板以下，故本次模拟不考虑基坑降水的影响。 表１土层物理力学参数 的１１种工况下，水平位移最大值为一６．６９～７．２ｌ ｉ／ｉｍ，１二况序号为（１１），最大变形量位于上半部分基 坑坑底１３．６ ｍ处，坑底隆起１．３７ ｃｍ；下半部分在 施工的９种Ｔ况下，水平位移最大值为一１３．５６～ 一 ｌ竺５．６４ ｍｌ／ｌ，工况序号为（２０），最大变形量位于下半部 分基坑坑底２８．１ ｍ处，坑底隆起值为ｌ４．４ ｎｌｔｌｌ（见 图５）。地表沉降值在开挖至平台阶段为１ ｍｍ，开 挖完成阶段为１．５ １１１１１１。基坑顶部水平和垂直位移 均不足１５ ｍｍ，满足基坑变形控制标准。 结构 单元类型 ‘日．］距 ／ｍ 截面 图５ 开挖完成后总变形矢量图 ２．３ 基坑分布开挖模拟过程 ３．２ 围护结构变形分析 参照设计方案，开挖模拟步骤为：（１）初始状态 一（２）施工上排桩一（３）开挖一（４）施工锚索一 （５）开挖一（６）施工锚索一……，（１２）依次施Ｔ至 平台段一（１３）施＿Ｔ下排桩一（１４）开挖一（１５）施 （１）锚索轴力 在开挖至平台段～开挖至坑底这一施Ｔ过程 中，锚索轴力最大值的位置不同，开挖至坑底时对应 的锚索轴力最大，为ｌ ００５．３１ ｋＮ。 （２）灌注桩变形分析 灌注桩在开挖过程中变形量较小，开挖至平台 段时 方向变形量为２．７８ ｌＴｌｍ， 方向变形量为２．Ｏ８ ｍｍ；开挖至坑底时 方向变形量为４．１４ ｍｍ，。方向 变形量为ｌ２．５３ ｍｍ。变形量均未超过１５ ｍｍ，满足 工锚索一……，依次施工直至基坑坑底为止（见图 ４）。每层开挖深度２．５ ＩＴＩ，分别模拟开挖至平台段 和坑底时管线所受的最大应力和位移。 ８２．８ＱＱ （２）施工上排桩 （３）开挖 （４）施工锚索 （５）开挖 器 （１Ｉ） 灌注桩变形控制要求。灌注桩最大弯矩发生在开挖 至坑底，弯矩值为９６１．９ ｋＮ／ｍ ，小于０．２倍极限弯 矩值，支护结构安全级别达到一级，正常情况下无需 采取措施。 （１５）施工 ｆ１７）施工 ＼＿——一黑河管线 ３．３黑河管线变形分析 当基坑开挖至平台段时，黑河管线受其开挖影 响总变形量最大值为２．５ ｍｍ， 、。方向最大变形量 ｒ７，４４２ ２００ 桩底 分别为２．３ ＩＴｌｍ、一０．９７ ｍｍ；当基坑开挖至坑底时， 黑河管线受其开挖影响总变形量达到２．８９ ｍｍ（见 图４开挖模拟步骤图单位：ｍ 冈６）， 、ｚ方向最大变形量分别为２．８４ ｍｍ、一１．２４ ｍｍ。由此可见，黑河管线受基坑开挖影响主要发生 ３ 数值分析 ３．１基坑变形分析 在上半部基坑施１：过程，黑河管线 方向变形为ｚ 方向的２倍，主要为水平位移，总体变形与开挖变形 趋势一致，即其变形主要取决于周边土体变形值的 根据开挖支护过程模拟分析，上半部分在施丁 １００ 王有林，许晓霞，陈楠．深基坑开挖对邻近地下管线影响的安全评价 大小。＝方向变形量为负值，代表为沉降变形。 —■Ｌ．ａ一 件正截面的表面最大裂缝宽度不能超过０．３ ｍｍ。也 就是各接头处裂缝宽度不能超过０．３ ｍｍ，若接头处 产生的裂缝大于０．３ ｍｍ，则认为管道将产生渗漏等 问题。１２处接头产生的最大容许变形量为３．６ ｍｍ （１２ｘＯ．３ Ｉｉｌｌｎ），且不允许产生大于０．３ ｍｍ的差异性 变形。通过前述数值计算结果，黑河管线最大变形量 为２．９ ｍｍ＜３．６ ｍｌｎ，满足管线控制变形要求。表３为 黑河管道变形控制标准。 表３黑河管线变形控制标准 图６基坑开挖至坑底管线变形云图 ３ ４管线安全评价 基坑开挖改变了原有土体的应力平衡，使得相 邻支护结构侧移，土体也随之发生侧移，必然导致地 下管线发生向基坑内方向的变形，当位移达到变形 ４结语 （１）通过数值模拟，基坑坑壁和围护结构的最 大变形量均满足变形控制要求；灌注桩产生的弯矩 ；的极限值时，将会引起拉裂破坏。同时土体位移作 用在管线上，将产生附加应力，当附加应力超过管线 材料抗拉强度时，管线将发生破裂。 （１）容许强度 地下管线处于安全状态，强度需满足： ６ ≤６ （１） 小于０．２倍极限弯矩，支护结构内力安全评价级别 为一级，正常情况下无需采取其他措施。 （２）黑河管线因基坑开挖遭受的附加应力最大 值远小于材料自身强度，从应力角度不会引起管线 破裂，控制管线安全的主要因素为土层侧移引起的 管线累计位移量和差异性变形量。 式中：６ 为管线截面所受的最大应力；８为管线材 料的容许强度。 根据数值计算，最大主应力在基坑开挖至平台 段时为１４８ ｋＰａ，开挖至坑底段时为１２１ ｋＰａ，均远小 （３）根据混凝土最大裂缝宽度限值，提出了管 线在该段最大容许变形量和差异性沉降差值。通过 计算，基坑开挖产生的土体位移量小于管线容许变 形量，满足管线变形控制标准。 于Ｃ１５混凝土的强度，因此单从应力角度看不会引 起隧洞混凝土破坏，控制管线安全的主要因素为土 层变形引起的管线位移量。 （２）容许变形量 参考文献： ［１］ 张陈蓉，俞剑，黄茂松．基坑开挖对邻近地下管线影响的变形 控制标准［Ｊ］．岩土力学，２０１２，３３（０７）：２０２７—２０３７． ［２］ 李大勇，龚晓南．深基坑开挖对周围地下管线影响因素分析 ［Ｊ］．建筑技术，２００３，３４（０２）：９４—９６． ［３］左殿军，史林，李铭铭，等．深基坑开挖对邻近地铁隧洞影响数 值计算分析［Ｊ］．岩土工程学报，２０１４，３６（ｓ２）：３９１—３９５． ＡＨＭＥＤ Ｉ．Ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｎ－ｄｕｅｅｄ ｇｒｏｕｎｄ ｍｏｖｅ－ 现行规范规定 Ｊ，当地下管线累计位移量不超过 １０ ｍｌｎ时，可满足变形控制要求。鉴于黑河管线属早 期设计建造的输水工程，混凝土衬砌标号不高，设计 采用标准较低，且目前管线已存在小量渗漏等实际现 状，从管道构件安全、耐久的角度出发，现行规范控制 ｍｅｎｔｓ［Ｄ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｃｏｒｎｅｌｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９９０． 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，２００７． 郑刚，刘庆晨，邓旭，等．基坑开挖对下卧运营地铁隧道影响的 数值分析与变形控制研究［Ｊ］．岩土力学，２０１２，３３（ｏ４）：１１０９— １１１７． 标准偏低。黑河管线在本基坑段长约２１０ ｍ，本段最 多有ｌ２处分仓接头。管道各分段钢筋混凝土构件可 视为刚形体，【犬ｌ基坑开挖引起的附加应力远小于自身 魏剐．基坑扦挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析［Ｊ］． 岩土力学，２０１３，３４（０５）：１４２１—１４２８． 蔡建鹏，黄茂松，钱建同，等．基坑开挖对邻近地下管线影响分析的 材料的强度，因而各分段自身不形成裂缝，相对而言 接缝处强度较低，认为裂缝主要在各段连接头处产 生。根据ｓＬ６５４—２０ｌ４《水利水电工程合理使用年限 及耐久ＪＪ生设计规范》 ，地下环境条件下，混凝土构 ＤＣＦＥＭ法［Ｊ］．地下窀间与Ｔ程学报，２０１０，６（０１）：１２０—１２４． 山东省建设厅．建筑基坑１：程监测技术规范：ＧＢ５０４９—２００９ ［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２０１０． 中华人民共和国水利部．水利水电＿１ 程合理使用平限及耐久 性设计规范：ＳＬ６５４—２００４［Ｓ］．北京：中国水利水电出版社， ２Ｏｌ４．
