地下管線在基坑開挖過程中變形規(guī)律的分析及關(guān)鍵影響因素研究

陳一鳴

（中鐵十九局集團(tuán)軌道交通工程有限公司，北京 101300）

1 引言

基坑開挖對地下管線產(chǎn)生的影響， 特別是管線的變形規(guī)律，是工程安全領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題。 地下管線的變形不僅關(guān)系到供水、供電、通信等城市基礎(chǔ)設(shè)施的正常運(yùn)行，還涉及公共安全和大量的經(jīng)濟(jì)投資[1-3]。 本文采用先進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)，結(jié)合地質(zhì)力學(xué)和管線工程學(xué)原理，深入分析基坑開挖過程中地下管線的變形規(guī)律。 通過考慮更多關(guān)鍵影響因素，建立一個(gè)更加全面和精確的地下管線變形預(yù)測模型， 不僅有助于更準(zhǔn)確地評估基坑開挖對地下管線的影響， 也為制定更有效的管線保護(hù)措施提供了理論依據(jù)。

2 基坑開挖工程中地下管線變形規(guī)律及關(guān)鍵影響因素的綜合研究

2.1 基坑開挖對地下管線變形影響的綜合研究

成都地鐵17 號線龍爪堰站位于地下2 層（局部3 層），島式站臺長約12 m。與7 號線通道換乘，位于中環(huán)路與龍騰西路交叉口東側(cè)。 共設(shè)3 個(gè)出入口、1 個(gè)連通口及1 個(gè)消防專用出入口。 其中，G 出入口在西北象限，F(xiàn) 出入口在東北象限，E 出入口在車站主體結(jié)構(gòu)頂部。 還設(shè)置3 組風(fēng)亭和1 個(gè)冷卻塔，大部分位于周邊高架橋底綠化帶或市政綠地內(nèi)。 為提升換乘便利性，原7 號線B 出入口改造為純樓梯出入口。

考慮到復(fù)雜的地質(zhì)條件， 項(xiàng)目采用了內(nèi)支撐加圍護(hù)墻的方法，以應(yīng)對深基坑施工中的挑戰(zhàn)。 圍護(hù)墻采用鋼筋混凝土墻結(jié)構(gòu)，同時(shí)基坑采用多層水平支撐系統(tǒng)，確保在不同階段的開挖中保持穩(wěn)定性和安全性。 此外，鑒于高地下水位，工程設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜的地下水降低系統(tǒng)， 以防止基坑積水和降低對周邊地區(qū)的影響。 工程還包括一個(gè)全面的安全監(jiān)測計(jì)劃，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控基坑周圍建筑和地下設(shè)施的傾斜、裂縫等，使用先進(jìn)的傳感器和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)， 確保能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的安全問題。 整個(gè)工程分多個(gè)階段實(shí)施，包括基坑圍護(hù)墻的建設(shè)、逐步開挖、支撐安裝，并在整個(gè)過程中密切監(jiān)控土層和水位條件以及對周邊建筑的影響。 項(xiàng)目深基坑的主要尺寸包括長度L、寬度B 以及最大開挖深度He，其周圍設(shè)有高度為Hw的支護(hù)結(jié)構(gòu)。 緊鄰基坑，特別是在其右側(cè)，布置了一條關(guān)鍵的地下管線。 這條管線沿著基坑的長軸方向延伸，距離基坑邊緣dp。其特征包括埋設(shè)深度zp和管徑Dp。 此外，在地面上，正對著管線的特定區(qū)域承受了額外的超載p。這種超載的影響區(qū)域沿基坑側(cè)壁的垂直方向延伸d2，從側(cè)壁開始計(jì)算的距離為d。 這種地面負(fù)載和基坑挖掘作用下， 管線會(huì)在水平方向和豎直方向出現(xiàn)彎曲或位移。

2.2 地下管線變形的條件設(shè)定與模型設(shè)計(jì)

首先，為了應(yīng)對地下管線和鄰近地層間的作用，問題被分解為水平和豎直兩個(gè)方向上的獨(dú)立分析， 不僅減輕了計(jì)算負(fù)擔(dān)，還保證了分析的精確性。 為此，引入了Pasternak 雙參數(shù)彈性地基梁模型，這一模型在土木工程領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，特別適合于模擬管道在土壤中的彈性行為。 此模型的運(yùn)用大幅提高了分析的效率和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步的優(yōu)化包括對地基土質(zhì)的設(shè)定。 將地基土視為均質(zhì)、各向同性的彈性材料，這一假設(shè)極大地簡化了分析過程。通過這種方式，不僅在理論上更易于處理，同時(shí)也確保了模型能夠準(zhǔn)確反映現(xiàn)實(shí)情況。 此外，進(jìn)一步優(yōu)化了地表超載和基坑開挖的模型，使其不受既有管線的影響，也不改變管線與周圍土體的相互作用。 這一技術(shù)手段簡化了分析模型，使其更加專注于開挖活動(dòng)本身對管線的直接影響。 管線的模型優(yōu)化也是技術(shù)提升的一部分。 對于地下輸送系統(tǒng)，采用了分段元素和連接部分的簡化模型。 其中，輸送段采用簡化的梁模型，連接部分則以彈性鉸鏈形式表示， 這種方法專注于系統(tǒng)的宏觀彎曲特性，而非細(xì)節(jié)上的應(yīng)力分布。 這一改進(jìn)使得管線的行為分析更加精確和實(shí)用，特別是在處理彎曲和旋轉(zhuǎn)應(yīng)力時(shí)。 最后，優(yōu)化了管線兩端的邊界條件處理，設(shè)兩端的彎矩為零，同時(shí)忽略了管線的自重。 這一步驟簡化了計(jì)算模型，使得分析更加集中于外部因素如基坑開挖引起的土體變動(dòng)所引發(fā)的管線行為。這種邊界條件的設(shè)置減少了分析的復(fù)雜性， 同時(shí)依然保留了對實(shí)際情況的高度適應(yīng)性。

3 基坑開挖影響下的地下管線變形理論預(yù)測與實(shí)測對比分析

為了驗(yàn)證研究提出的理論預(yù)測方法的有效性， 對成都地鐵17 號線龍爪堰站工程設(shè)置了98 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)， 分別是B 出入口涉及14 個(gè)地表點(diǎn)、14 個(gè)橋墩沉降觀測點(diǎn)、5 個(gè)樁頂沉降點(diǎn)、5 個(gè)樁頂水平位移點(diǎn)、5 根樁體水平位移、3 個(gè)水位觀測點(diǎn)和27 個(gè)建（構(gòu)）筑物沉降觀測點(diǎn)；G 出入口有9 個(gè)地表點(diǎn)、4 個(gè)橋墩沉降觀測點(diǎn)、3 個(gè)樁頂沉降點(diǎn)、3 個(gè)樁頂水平位移點(diǎn)、4 根樁體水平位移和2 組混凝土支撐應(yīng)力。 根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究分析了地面超載對鄰近連續(xù)管道由于基坑挖掘而產(chǎn)生的位移和彎矩效應(yīng)。 旨在通過這種方式證實(shí)理論預(yù)測方法在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性和可靠性。 不同條件下地下管線的豎向和水平位移分布比較如圖1 所示。

圖1 不同條件下地下管線的豎向和水平位移分布比較

圖1a 為100 kPa 地表超載條件下地下管線的豎向位移分布。 根據(jù)理論預(yù)測和三維有限元分析，管線在中部區(qū)域出現(xiàn)最大豎向位移，且該位移朝兩端逐漸降低至零。 理論預(yù)測得出的沉降范圍在7.9～8.8 mm， 而有限元方法給出了6.9～7.6 mm的結(jié)果，兩者之間的最大差異為1.1 mm，仍在工程應(yīng)用的可接受精度范圍內(nèi)。 進(jìn)一步對比地表超載存在與否的情形，可以看到兩種情況下管線沉降的縱向分布相似， 但地表超載的存在使得靠近管線中部40 m 區(qū)域內(nèi)的沉降量顯著增加。 理論預(yù)測和數(shù)值模擬得出的沉降增量分別約為2.7～3.1 mm 和1.05～1.2 mm。

圖1b 中，管道在各種環(huán)境工況下沿縱軸的水平位移分布與圖1a 所展示的豎直位移分布表現(xiàn)出了一定程度的相似性。在管道中心附近約12 m 區(qū)域內(nèi)，水平位移顯著，超出此范圍后迅速降低至幾乎不可察。 這種顯著的水平位移區(qū)域大約延伸20 m，僅為豎直位移顯著區(qū)域的半徑，并且其峰值也顯著低于豎直位移的最大值。 在100 kPa 地表附加負(fù)載情況下，理論分析與有限元模擬預(yù)測的最大水平位移分別約為-4.6 mm和-4.2 mm，而豎直位移的峰值則約為8.8 mm 和7.6 mm。 在無附加負(fù)載條件下，這些方法分別預(yù)測出的最大水平位移為-1.1 mm 和-0.95 mm。表明，在100 kPa 的地表附加負(fù)載下，水平和豎直位移的最大增幅分別約為3.2 倍和0.55 倍， 進(jìn)一步揭示了地表負(fù)載對水平位移影響的顯著性。 不同條件下管線豎向和水平彎矩的縱向分布比較如圖2 所示。

圖2 不同條件下管線豎向和水平彎矩的縱向分布比較

由圖2 可知研究中采用的理論模型在彎矩量值的估計(jì)時(shí)，理論預(yù)測相較于有限元分析結(jié)果偏高。 具體來說，在地表額外負(fù)載作用下， 理論模型對豎直和水平彎矩的最大估計(jì)值分別為21.10 kN·m 和10.39 kN·m，而有限元分析給出的對應(yīng)值分別為17.94 kN·m 和8.52 kN·m， 理論模型在這兩個(gè)方向的估計(jì)值分別高出17.61%和21.95%。 在無額外負(fù)載條件下，理論與數(shù)值分析得到的豎直最大彎矩分別為17.19 kN·m 和16.01 kN·m， 水平最大彎矩分別為7.47 kN·m 和6.28 kN·m，顯示理論模型的估計(jì)值在豎直和水平方向上分別高出7.37%和18.95%。 進(jìn)一步的分析表明，100 kPa 的地表額外負(fù)載雖未改變彎矩分布的基本形態(tài)，卻顯著提高了彎矩的極值。 理論模型與有限元分析表明，豎向彎矩峰值增幅達(dá)到21.21%，水平彎矩峰值增幅為37.82%。 結(jié)果說明，地表額外負(fù)載對管線的水平彎矩影響顯著大于豎直彎矩。

4 結(jié)論

研究旨在探究地表超載條件下地下管線的豎向和水平位移、彎矩的分布規(guī)律以及地表超載對這些參數(shù)的影響。 研究結(jié)果顯示，在地表超載條件下，管線的豎向位移和水平位移都顯著增加。豎向位移增大了約2.6 倍，最大沉降約為3.1 mm，而水平位移增大了約4.4 倍，最大水平位移約為-4.2 mm。 此外，豎向和水平彎矩在地表超載情況下也有顯著增加，豎向彎矩峰值增幅達(dá)到21.21%，水平彎矩峰值增幅為37.82%。 研究的結(jié)果表明地表超載對管線的豎向和水平位移、 彎矩產(chǎn)生明顯影響，尤其是水平位移和水平彎矩的增幅更為顯著。未來還需要考慮其他潛在的影響因素，以全面評估不同方案的優(yōu)劣。