深基坑工程中地下管線位移影響分析

1、1  前  言    城市建設(shè)的飛速發(fā)展，使得大多數(shù)深基坑工程處于密集建筑物、道路和地下管線等設(shè)施之中，從而對(duì)這些周邊環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致建筑傾斜、開裂甚至破壞，最終無法使用：道路開裂下沉，影響車輛交通：生命線工程(給排水管道、煤氣管、電纜管及通訊管等)產(chǎn)生嚴(yán)重變形，引起過大的應(yīng)力而導(dǎo)致破壞，嚴(yán)重影響居民的日常生活。因此，以往把深基坑開挖工程的設(shè)計(jì)、施工作為一個(gè)孤立的問題來考慮僅側(cè)重于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，是難于達(dá)到保護(hù)周圍環(huán)境的目的的。這已逐漸引起了人們的高度重視以實(shí)現(xiàn)從強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)到變形控制設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。本文重點(diǎn)討論深基坑開挖對(duì)地

2、下管線的影響。    深基坑開挖對(duì)地下管線的影響是一個(gè)非常重要的課題，在實(shí)際工程中造成的此類工程事故時(shí)有發(fā)生，已經(jīng)引起了科研、設(shè)計(jì)和施工人員的高度重視，對(duì)此問題的成功預(yù)測并采取積極的保護(hù)措施，顯然是極其重要的。然而對(duì)此問題的研究國內(nèi)外還是比較少見的，且大都停留在定性研究的基礎(chǔ)上。    文2在實(shí)際工程監(jiān)測的基礎(chǔ)上，提出了一種估算由基坑開挖引起地下管線最大水平位移的方法，但這個(gè)方法不能得到地下管線整體位移模式。    文3定性分析了基坑開挖減少周圍環(huán)境影響的對(duì)策，提出了基坑開挖影響程度區(qū)分圖，并指出，在影響

3、范圍的不同部位，因基坑開挖帶來的影響程度不一樣，離圍護(hù)結(jié)構(gòu)越近影響程度越大，反之越小。文4采用空間8節(jié)點(diǎn)非協(xié)調(diào)等參單元方法，首次研究了地下連續(xù)墻基坑開挖過程中土體沉降沿基坑縱向的分布規(guī)律，并引入沉降傳遞系數(shù)的概念，據(jù)此根據(jù)地表沉降估算地下管線的變形。    從上述文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)對(duì)此問題的研究，還不十分深入，有進(jìn)一步研究的必要性。根據(jù)文5的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在眾多深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式中，懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)占較大比重，為此，本文重點(diǎn)討論懸臂式基坑開挖對(duì)地下管線的影響。    2  三維有限元建模    2.1 基本

4、假定    為了便于問題分析，掌握規(guī)律，本文作了以下假定：    (1) 地下管道為等直徑、等壁厚，且不考慮管道接頭的影響，管道材料本構(gòu)關(guān)系按線彈性考慮。由于大部分地下管道平行于道路鋪設(shè)，建筑物也是沿道路建設(shè)，故僅考慮地下管線平行于基坑邊的情況。    (2) 土體定為連續(xù)介質(zhì)線彈性體。    (3) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體是連續(xù)體，不考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體有相對(duì)的剪切錯(cuò)動(dòng)，即兩者不設(shè)接觸面單元。    (4) 管道與周圍土體在變形前后及變形過程中，

5、兩者緊密接觸，即在變形過程中，管與土沒有相對(duì)滑動(dòng)或脫離，這種假定在實(shí)際工程中是可能存在的，即土體相對(duì)管道來說不是非常的“軟”。但是，對(duì)于處在滑坡中的地下管線，由于土體位移較大，而地下管線的剛度相對(duì)于土體大得多，可能產(chǎn)生土體與管道分離現(xiàn)象，在這種情況下，是不能用彈性力學(xué)的知識(shí)來解決的。然而，基坑工程計(jì)算分析過程中不允許產(chǎn)生象滑坡中土體的大位移?？烧J(rèn)為地下管線與土體緊密接觸，不考慮管土的分離現(xiàn)象。    2.2 分析算例    2.2.1 算例及有限元網(wǎng)格劃分    算例為某懸臂式基坑，平面尺寸為30 m&#

6、215;30m，基坑開挖深度為5m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)寬度為0.6m，插入深度為10 m。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及有限元計(jì)算結(jié)果，基坑開挖的影響寬度為基坑開挖深度的34倍，影響深度約為開挖深度的24倍。本算例計(jì)算范圍取為60.6m×l21.2m×35m，即影響寬度和深度分別取9倍、4倍的開挖深度，如圖1所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，沿基坑中部取一半進(jìn)行分析，共劃分7092個(gè)單元和8272個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中管線共有184個(gè)單元和192個(gè)節(jié)點(diǎn)。基坑開挖荷載的計(jì)算和有限元分析方法見文。 圖1  基坑剖面圖     計(jì)算模型的邊界條件如下： &#

7、160;  邊界yz面上x方向被約束，y，z方向自由：xz面上y方向被約束，x，z方向自由；模型底面xy為固定約束；另外，模型四角豎線上點(diǎn)的xy方向被約束。    2.2.2 計(jì)算參數(shù)    (1) 土體：為了便于尋找規(guī)律，土體采用線彈性本構(gòu)模型。自上而下土層參數(shù)依次為：土層I中土體彈性模量E=2MPa，泊松比=0.49，層厚為5m；土層中土體彈性模量E=4MPa，泊松比=0.45，層厚為10 m；土層III中土體彈性模量E=16MPa，泊松比=0.40，層厚為20 m。土體單元采用空間8節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)單元。  

8、;  (2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)：按混凝土彈性材料考慮，彈性模量進(jìn)行折減后取E=25000MPa，泊松比=0.17。為了克服“過剛”現(xiàn)象，圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元采用非協(xié)調(diào)元。    (3) 地下管線：本例取混凝土管管道外徑為D=1m，壁厚t=lcm，彈性模量E=2.05×105MPa，泊松比=0.3。考慮到管道大都為薄壁管，宜采用板殼單元進(jìn)行有限元分析，見文。    3 影響地下管線位移的因素分析    基坑開挖導(dǎo)致了坑內(nèi)土體應(yīng)力釋放，打破了原有的力學(xué)平衡，致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、基坑底部隆起，從而使墻后土體隨

9、之位移，帶動(dòng)了地下管線向坑內(nèi)位移，地下管線的這種位移具有“空間”性，為了便于分析，可以分為水平和豎向兩部分考慮。上述文獻(xiàn)或側(cè)重于水平位移分析或側(cè)重于豎向位移分析，顯然是不全面的，而有的實(shí)際工程測量中也存在只重視地下管線沉降的測量，這也是存在誤解的。通過大量工程實(shí)例及本文有限元分析，表明地下管線的水平位移往往大于其豎向位移，因此，應(yīng)引起人們足夠的重視。地下管線的位移受到離基坑的距離、埋深、下臥層土質(zhì)、管線與周圍土層的相對(duì)剛度、施工方法等諸多因素的影響，為了便于分析規(guī)律，本文在考慮某一因素的影響時(shí)，假定其他條件不變，比如在考慮地下管線離基坑邊距離對(duì)其位移的影響時(shí)，均假定地下管線的材質(zhì)、管徑、壁厚、

10、埋深、土質(zhì)相同。    3.1 地下管線離基坑邊距離的遠(yuǎn)近對(duì)其位移的影響    圖2是在混凝土管埋深(地面至管頂?shù)拇怪本嚯x)2m情況下得到的，圖中L為地下管線中心線到基坑邊的距離，h為地下管線埋深即為2 m。從圖中可以得出，地下管線的最大位移位于基坑中部對(duì)稱面上(x=60.6m)，地下管線距離基坑越遠(yuǎn)，其位移量值越小。圖2(a)表明，地下管線水平位移在x=40m處(即離基坑邊1倍開挖深度)出現(xiàn)拐點(diǎn)，040m處，受基坑開挖影響小，表現(xiàn)位移較小，4060.6m處，強(qiáng)烈受基坑開挖的影響，出現(xiàn)較大的位移；而對(duì)于圖2(c)中的豎向位移，基本上在

11、基坑端部產(chǎn)生了拐點(diǎn)。圖2(b)，(d)說明，地下管線距離基坑邊大約3倍的開挖深度(15 m)內(nèi)，地下管線位移明顯受基坑端部抑制效應(yīng)的影響，出現(xiàn)了“抑制點(diǎn)”，水平位移的“抑制點(diǎn)”大約位于基坑端部外1倍的開挖深度處。而豎向位移的“抑制點(diǎn)”基本位于基坑端部處，距離基坑越近，其抑制作用越強(qiáng)。這種現(xiàn)象的存在對(duì)地下管線的安全性是極其不利的。因?yàn)?，此處的曲率突然變大且出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，是應(yīng)該加強(qiáng)保護(hù)的地段。    3.2 不同下臥土層土質(zhì)的影響    由圖3看出，下臥土層對(duì)地下管線的水平及豎向位移影響顯著，亦說明可以通過改良下臥土層土質(zhì)的辦法，有

12、效地限制地下管線的位移，但也存在著經(jīng)濟(jì)方面的矛盾，要綜合加以評(píng)價(jià)和選擇。    3.3 地下管線埋深的影響    圖4為地下管線最大位移與h/D關(guān)系圖。圖中，A為地下管線的埋深，D為外徑。從圖4中看出，地下管線的最大豎向和水平位移與h/D近似成線性關(guān)系，隨著h/D的增大而逐漸減小，而最大水平位移減小的幅度比最大豎向位移小，考慮到地下管線的埋深一般為06m，故沒有作進(jìn)一步埋深分析。    3.4 管線彈性模量Ep與周圍土體彈性模量Es的比值對(duì)地下管線位移的影響    從圖5可以

13、得出地下管線最大水平、豎向位移hmax和max隨Ep/Es的比值增大而增大，Ep/Es對(duì)地下管線的位移影響顯著，可見在同等的情況下，通過改良地下管線周邊土的土質(zhì)可有效地控制地下管線位移。目前，實(shí)際工程中常采用管底注漿，這種措施只能有效地減小地下管線的沉降，而對(duì)其水平位移影響不大。建議在此基礎(chǔ)上，在地下管線與基坑之間進(jìn)行土體豎向加固，可有效減小地下管線位移，達(dá)到保護(hù)的目的。    4  地下管線保護(hù)措施分析    城市生命線工程承擔(dān)著給水、排水、供氣、供電等多項(xiàng)與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的任務(wù)，為了保護(hù)臨近基坑的地下管線的安全，一

14、般采用如下的步驟進(jìn)行基坑開挖：    (1) 了解基坑周圍地下管線分布情況及其類型，具體內(nèi)容為：管線種類(包括管線用途、管線材質(zhì)、接頭形式等)、管線走向、管線埋置深度、管線離基坑邊的距離等：地下管線所在道路的地面人流與交通狀況，以便制定適合的測點(diǎn)埋設(shè)和測試方案。    (2) 根據(jù)管線材料的容許應(yīng)力及管線容許最小曲率半徑，確定管線的容許最大變位值。    (3) 采用適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測方案和手段，對(duì)臨近地下管線進(jìn)行現(xiàn)場測量。 圖2  L/h對(duì)地下管線位移的影響  圖3下臥層

15、土質(zhì)對(duì)地下管線位移的影響圖4  地下管線最大位移與h/D的關(guān)系     (4) 估價(jià)地下管線所受的影響，必要時(shí)對(duì)原設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行調(diào)整。    (5) 應(yīng)使實(shí)測變位值不超過容許變位值，當(dāng)估計(jì)有可能超過容許最大變形值時(shí)，應(yīng)事先采取措施，以確保整個(gè)基坑工程的安全。  圖5地下管線最大位移與Ep/Es的關(guān)系     備注：所有位移圖中的位移數(shù)值符號(hào)，水平位移為正值表示地下管線向基坑內(nèi)方向位移；豎向位移為負(fù)值表示地下管線向下位移。  

16、0;  對(duì)地下管線的保護(hù)，可采取以下措施：   (1) 限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，減少地下管線位移    基坑被動(dòng)區(qū)加固·用壓力灌漿、石灰樁、樹根樁、地下連續(xù)墻以及降水等方法來提高坑底土的強(qiáng)度和變形特性，能有效地減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，從而減小基坑地表的沉降。    及時(shí)加設(shè)支撐  這也是減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移，改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力條件，減少基坑附近地表沉陷，增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性的有效方法。    逆作法施工  逆作法將地下連續(xù)墻作為地下結(jié)構(gòu)的一部分。利

17、用地下主體結(jié)構(gòu)梁、板體系作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐，逐層進(jìn)行挖土和梁、板、柱體系的施工。此法的優(yōu)點(diǎn)是：減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和減小環(huán)境影響，降低基坑工程造價(jià)。    (2) 信息化施工    信息化施工可以隨時(shí)掌握施工中的各項(xiàng)參數(shù)，并預(yù)測下一階段乃至最后階段的狀態(tài)，可對(duì)設(shè)計(jì)、施工方案進(jìn)行修正，達(dá)到工程安全、經(jīng)濟(jì)的目的。城市市政管理部門和煤氣、自來水部門等對(duì)各類地下管線的允許沉降量制定了十分嚴(yán)格的規(guī)定，工程建設(shè)所有有關(guān)單位必須嚴(yán)格遵循。地下管線的監(jiān)測內(nèi)容包括垂直沉降和水平位移兩部分，其測點(diǎn)布置和監(jiān)測頻率應(yīng)在對(duì)管線狀況進(jìn)行充分調(diào)查，與管線單位充分協(xié)商

18、后予以確定。目前工程中主要采用間接測點(diǎn)和直接測點(diǎn)兩種形式。    5 結(jié)  論深基坑臨近地下管線的保護(hù)問題是基坑工程中的重要課題。本文利用三維有限元方法求得了地下管線的位移模式；對(duì)影響地下管線位移的主要因素進(jìn)行了分析；并得出了地下管線水平位移與豎向移同樣重要，且往往大于豎向位移的結(jié)論，從而證實(shí)了有些工程只重視豎向位移觀測，忽視水平位移觀測的不恰當(dāng)做法。本文對(duì)基坑工程中的地下管線保護(hù)，提供了有利的理論依據(jù)，可以指志圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和對(duì)地下管線位移進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)估計(jì)有可能會(huì)超過容許最大變形值時(shí)，應(yīng)事先采取措施，以確保整個(gè)基坑工程的安全。關(guān)于印發(fā)上海市道

19、路地下管線保護(hù)若干規(guī)定的通知2006-02-27 各區(qū)、縣建設(shè)（市政）行政管理部門、各相關(guān)行政管理部門、各有關(guān)單位：    根據(jù)國家和本市的有關(guān)規(guī)定，為加強(qiáng)對(duì)上海市道路管線保護(hù)監(jiān)督管理，我局制定了上海市道路地下管線保護(hù)若干規(guī)定，現(xiàn)發(fā)給你們，請(qǐng)予執(zhí)行。原市建委文件關(guān)于保護(hù)地下管線工作的通知滬建市（98）第0331號(hào)，已由市建委廢止。     本通知自發(fā)文之日起執(zhí)行。     附件一：上海市道路管線監(jiān)護(hù)交底卡樣張（略）    附件二：上海市建設(shè)工程道路管線安全保護(hù)承諾書

20、樣張（略）    附件三：上海市管線外損事故報(bào)告單樣張（略）                             上海市市政工程管理局            

21、;                   二五年十二月十二日上海市道路地下管線保護(hù)若干規(guī)定    第一條 （目的和依據(jù)）    為確保城市道路地下管線的正常運(yùn)行，加強(qiáng)本市建設(shè)施工現(xiàn)場的管理，提高文明施工的水平，根據(jù)上海市建筑市場管理?xiàng)l例、上海市城市道路與地下管線施工管理暫行辦法、上海市建設(shè)工程文明施工管理辦法的規(guī)定，結(jié)合本市道路地下管線的實(shí)際情況，制定本規(guī)定。

22、    第二條 （適用范圍）   本市建設(shè)施工對(duì)道路地下管線的保護(hù)，適用本規(guī)定。    第三條 （管理部門）    上海市市政工程管理局（以下簡稱市市政局）是本市道路地下管線保護(hù)監(jiān)督管理的主管部門。上海市道路管線監(jiān)察辦公室(以下簡稱市道監(jiān)辦)負(fù)責(zé)本市道路地下管線保護(hù)監(jiān)督的具體管理和外力損壞道路地下管線事故的協(xié)調(diào)處理、統(tǒng)計(jì)以及上報(bào)工作。    第四條 （建設(shè)單位職責(zé)）    建設(shè)單位保護(hù)道路地下管線的主要職責(zé)是： &#

23、160;   （一）明確該工程項(xiàng)目保護(hù)道路地下管線工作責(zé)任人；     （二）核查施工單位編制的施工組織設(shè)計(jì)、保護(hù)道路地下管線方案、落實(shí)管線保護(hù)費(fèi)用，并在開工前會(huì)同各管線權(quán)屬單位組織召開該工程項(xiàng)目保護(hù)道路地下管線工作的專題會(huì)議，根據(jù)會(huì)議紀(jì)要及有關(guān)圖檔資料，向相關(guān)管線權(quán)屬單位辦理“上海市道路管線監(jiān)護(hù)交底卡”(簡稱“交底卡”，樣張見附件一)。向總包或分包的施工單位做好保護(hù)道路地下管線的(書面)交底工作；    （三）委托第三方有資格的測量單位承擔(dān)對(duì)道路地下管線施工的跟蹤監(jiān)測工作，進(jìn)行信息化施工管理；   &#

24、160;（四）在向市建筑業(yè)管理辦公室報(bào)建項(xiàng)目的同時(shí)，向市道監(jiān)辦填報(bào)“上海市建設(shè)工程道路管線安全保護(hù)承諾書”（承諾書樣張見附件二）；    （五）在該工程項(xiàng)目施工期間，督促施工單位落實(shí)保護(hù)道路地下管線方案，及時(shí)采取各項(xiàng)防范措施。    第五條 （施工單位職責(zé)）    施工單位保護(hù)道路地下管線的主要職責(zé)是：    （一）編制施工組織設(shè)計(jì)（施工大綱），對(duì)相關(guān)管線權(quán)屬單位的交底資料進(jìn)行復(fù)核，制定保護(hù)道路地下管線的技術(shù)措施，并經(jīng)各相關(guān)管線權(quán)屬單位審定認(rèn)可后方可進(jìn)行施工；  &

25、#160; （二）進(jìn)行信息化施工，加強(qiáng)對(duì)道路地下管線動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工方案，確保道路地下管線的正常運(yùn)行。一旦發(fā)生管線事故，應(yīng)當(dāng)及時(shí)報(bào)告相關(guān)管理部門，并積極主動(dòng)地配合道路管線權(quán)屬單位進(jìn)行搶修，以縮小影響和減少經(jīng)濟(jì)損失；    （三）施工時(shí)，施工管理人員必須向直接操作人員做好保護(hù)道路地下管線的交底工作；對(duì)原有道路地下管線情況不明、發(fā)現(xiàn)資料標(biāo)明與實(shí)際管位有差異或者管線的埋設(shè)位置難以判斷的，必須立即停止施工作業(yè)，在管線權(quán)屬單位到現(xiàn)場監(jiān)護(hù)并采取相應(yīng)保護(hù)管線的技術(shù)措施后方可施工。擅自施工造成管線或設(shè)備損壞的，由施工單位承擔(dān)賠償責(zé)任，并接受相應(yīng)的行政處罰；

26、    （四）施工組織設(shè)計(jì)變更必須具備完備的合法手續(xù)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)通知所影響管線的權(quán)屬單位 ；    （五）在原有道路地下管線兩側(cè)各一米范圍內(nèi)，禁止使用機(jī)械開挖。    第六條 （管線權(quán)屬單位職責(zé)）    管線權(quán)屬單位保護(hù)道路地下管線的主要職責(zé)是：    （一）制定及完善對(duì)權(quán)屬道路地下管線的巡查制度和對(duì)監(jiān)護(hù)員的考核制度；    （二）向施工單位做好權(quán)屬道路地下管線安全的宣傳工作，增強(qiáng)保護(hù)道路地下管線的意識(shí)，并具體提供現(xiàn)場權(quán)屬道路地

27、下管線的準(zhǔn)確資料，做好書面交底工作；    （三）施工單位要求配合管線現(xiàn)場監(jiān)護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)即時(shí)趕赴現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)護(hù)并指導(dǎo)施工單位采取保護(hù)權(quán)屬道路地下管線的措施；    （四）在對(duì)權(quán)屬道路地下管線的巡查中發(fā)現(xiàn)違章施工作業(yè)或者危及權(quán)屬道路地下管線正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)向施工作業(yè)單位提出書面整改意見，并指導(dǎo)施工作業(yè)單位采取保護(hù)措施。一旦發(fā)生權(quán)屬管線事故，應(yīng)當(dāng)及時(shí)搶修，防止事故的擴(kuò)大，并按規(guī)定及時(shí)向有關(guān)部門報(bào)告。    第七條 （監(jiān)測單位職責(zé)）    監(jiān)測單位保護(hù)道路地下管線的主要職責(zé)是：&#

28、160;   （一）取得由國家或者省級(jí)測繪管理部門頒發(fā)的資格證書，并在其資質(zhì)等級(jí)許可范圍內(nèi)承攬測繪工程；    （二）根據(jù)國家和有關(guān)部門制定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行測量工作，確保工作質(zhì)量，不得謊報(bào)、瞞報(bào)、誤報(bào)監(jiān)測數(shù)據(jù)；    （三）因監(jiān)測質(zhì)量有誤造成道路地下管線事故或其他事故的，由監(jiān)測單位承擔(dān)責(zé)任。    第八條 （監(jiān)理單位職責(zé)）    監(jiān)理單位保護(hù)道路地下管線的主要職責(zé)是：    （一）審查施工組織設(shè)計(jì)（施工大綱）中管線保護(hù)技術(shù)措施是否符合工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，審查施工組織設(shè)計(jì)變更并簽章認(rèn)可；    （二）在監(jiān)理過程中，發(fā)現(xiàn)存在管線事故隱患時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)對(duì)施工單位提出整改措施或者要求其停止施工；施工單位拒不整改或者拒不停止施工的，監(jiān)理單位應(yīng)當(dāng)及時(shí)向有關(guān)部門報(bào)告。    第九條 （管線外損事故的報(bào)告