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深基坑开挖对邻近地下管线影响的安全评价

文档作者：王有林1,2,许晓霞1,陈楠1 文档来源： 1. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 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		点击数：	更新时间： 2021年12月03日
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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1,2,许晓霞1,陈　楠1
(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:TU473. 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 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
　　作者简介:王有林(1983- ),男,青海省互助县人,工程师,主要
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.
0　前　言
随着中国城市化进程的不断加快和建筑用地日
趋减少,各种市政及轨道交通项目陆续开工建设,同
时高层住宅、大型商业化设施也不断增多,从而使得
工程建设中深基坑工程越来越多。基坑开挖不可避
免地会造成周围地层扰动,对周边建筑、地铁隧道、
大型地下管线等产生附加应力和变形,从而造成一
定程度的损伤或破坏性影响。作为城市生命线工程
的地下线缆、排水管网等管道工程,因其隐蔽性导致
破坏不易发觉[1] ,一旦产生破坏不仅会引起重大的
经济损失,更将造成严重的社会及政治影响,且其损
失是不可挽回的。
基坑开挖对周边环境影响预测与控制技术研究
是一项非常重要的课题[2] ,已引起广大科研、设计
及施工人员的重视。现有研究分为2 类:一类是采
用有限元数值计算方法进行整体建模,模拟基坑开
挖过程对邻近管道的影响[3-7] ;另一类是位移控制
分析方法[8] ,不关注基坑开挖施工过程,将基坑开
挖引起的土体位移作为控制条件,分析管道的受力
和变形。
本文以西安某深基坑工程为依托,采用数值模
拟手段,分析基坑开挖过程及开挖完成后对邻近管
道的影响,在此基础上提出管道位移和强度的控制
标准,从而为施工提供依据。
1　工程概况
1. 1　基坑总体布置
某项目基坑形状为三角形,自北向南逐渐变小,
基坑南北方向长约250 m,北侧宽约150 m,南侧宽
西北水电·2016 年·第6 期 97
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万方数据
约22 m。基坑东侧为G 地块,与H 基坑相距约50
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
中心距基坑东侧壁水平距离为21 m,埋深为现地面
下21 ~22 m(见图1)。
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
mm。管线分仓、分段浇筑施工,每段长度20 m,接
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
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;
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
~3. 4 m;⑩ 黄土,层厚4. 4 ~5. 8 m;◈1 古土壤,层
厚3. 1 ~3. 5 m;◈12 黄土,最大揭露厚度0. 5 m,最大
钻探深度45 m;◈13 古土壤,层厚1. 1 ~3. 8 m。
2　三维计算模型的建立
2. 1　模型尺寸
基于有限元的基本理论,利用MIDAS/ GTS 建
立三维模型,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
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,即变形过程中管线与土
体没有相对滑动或发生脱离。
为了消除边界条件的影响,考虑到基坑东侧50
m 以外的G 地块基坑已经开挖的现状,三维模型计
算边界取为410 m×150 m×50 m。按实际施工顺序
进行数值模拟,分析基坑开挖对黑河管道整体变形
造成的影响。在实际模拟中,基坑开挖的实际结构
尺寸、施工工法、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
用摩尔-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
管道衬砌采用板单元模拟。三维整体有限元计算模
型及支护结构布置见图2、3。
图2　三维有限元模型网格图
图3　三维模型支护结构空间布置图
计算模型的位移边界条件为:yz 面上x 方向位
移被约束,y、z 方向位移自由;xz 面上y 方向位移被
约束,x、z 方向位移自由:模型底面xy 为固定约束;
另外,模型四角竖线上点的xy 方向位移被约束。
2. 2　计算参数选取
计算参数的选取主要依据岩土工程勘察报告,
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
98 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 ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
万方数据
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
土层
重度
/ (kN·m-3)
弹性模量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　结构单元特性表
结构单元类型
间距
/ m 截面
隧道衬砌梁1. 5 0. 35 m×1 m
预应力锚索植入式桁架1. 5 截面积560 m2
灌注桩1 梁1. 5 圆形D =0. 8 m
灌注桩2 梁1. 5 圆形D =1. 0 m
2. 3　基坑分布开挖模拟过程
参照设计方案,开挖模拟步骤为:(1) 初始状态
→(2) 施工上排桩→(3) 开挖→(4) 施工锚索→
(5) 开挖→(6) 施工锚索→……,(12) 依次施工至
平台段→(13) 施工下排桩→(14) 开挖→(15) 施
工锚索→……,依次施工直至基坑坑底为止(见图
4)。每层开挖深度2. 5 m,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。
图4　开挖模拟步骤图　单位:m
3　数值分析
3. 1　基坑变形分析
根据开挖支护过程模拟分析,上半部分在施工
的11 种工况下,水平位移最大值为-6. 69 ~ 7. 21
mm,工况序号为(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 种工况下,水平位移最大值为-13. 56 ~
5. 64 mm,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14. 4 mm(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 mm。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。
图5　开挖完成后总变形矢量图
3. 2　围护结构变形分析
(1) 锚索轴力
在开挖至平台段~ 开挖至坑底这一施工过程
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1 005. 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x 方向变形量为2. 78 mm,z 方向变形量为2. 08
mm;开挖至坑底时x 方向变形量为4. 14 mm,z 方向
变形量为12. 53 mm。变形量均未超过15 mm,满足
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/ m2,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。
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,x、z 方向最大变形量
分别为2. 3 mm、-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6),x、z 方向最大变形量分别为2. 84 mm、-1. 24
mm。由此可见,黑河管线受基坑开挖影响主要发生
在上半部基坑施工过程,黑河管线x 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
西北水电·2016 年·第6 期 99
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万方数据
大小。z 方向变形量为负值,代表为沉降变形。
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
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:
δmax ≤ δ (1)
式中:δmax为管线截面所受的最大应力;δ 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
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
现行规范规定[9] ,当地下管线累计位移量不超过
10 mm 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
标准偏低。黑河管线在本基坑段长约210 m,本段最
多有12 处分仓接头。管道各分段钢筋混凝土构件可
视为刚形体,因基坑开挖引起的附加应力远小于自身
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—2014《水利水电工程合理使用年限
及耐久性设计规范》[10] ,地下环境条件下,混凝土构
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
(12×0.3 mm),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 mm,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
管线长度
/ m
接头数
/ 个
差异沉降量
/ mm
许变形量
/ mm
210 12 0. 3 3. 6
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
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。
(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。
参考文献:
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2014.
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

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