深基坑工程中地下管線位移影響分析

1、1 前 言 城市建設的飛速發(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施之中，從而對這些周邊環(huán)境產生較大的影響，嚴重的會導致建筑傾斜、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)產生嚴重變形，引起過大的應力而導致破壞，嚴重影響居民的日常生活。因此，以往把深基坑開挖工程的設計、施工作為一個孤立的問題來考慮僅側重于基坑圍護結構強度控制，是難于達到保護周圍環(huán)境的目的的。這已逐漸引起了人們的高度重視以實現(xiàn)從強度控制設計到變形控制設計的轉變。本文重點討論深基坑開挖對地下管線的影響。 深基坑開挖對地下管線的影響是一個非常重要的課

2、題，在實際工程中造成的此類工程事故時有發(fā)生，已經引起了科研、設計和施工人員的高度重視，對此問題的成功預測并采取積極的保護措施，顯然是極其重要的。然而對此問題的研究國內外還是比較少見的，且大都停留在定性研究的基礎上。 文2在實際工程監(jiān)測的基礎上，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)境影響的對策，提出了基坑開挖影響程度區(qū)分圖，并指出，在影響范圍的不同部位，因基坑開挖帶來的影響程度不一樣，離圍護結構越近影響程度越大，反之越小。文4采用空間8節(jié)點非協(xié)調等參單元方法，首次研究了地下連續(xù)墻基坑開挖過程中土體沉降沿

3、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。 從上述文獻不難發(fā)現(xiàn)對此問題的研究，還不十分深入，有進一步研究的必要性。根據(jù)文5的調研發(fā)現(xiàn)，在眾多深基坑圍護結構形式中，懸臂式圍護結構占較大比重，為此，本文重點討論懸臂式基坑開挖對地下管線的影響。 2 三維有限元建模 2.1 基本假定 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，管道材料本構關系按線彈性考慮。由于大部分地下管道平行于道路鋪設，建筑物也是沿道路建設，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)介質線彈性體。 (3) 圍護結構

4、與周圍土體是連續(xù)體，不考慮圍護結構與周圍土體有相對的剪切錯動，即兩者不設接觸面單元。 (4) 管道與周圍土體在變形前后及變形過程中，兩者緊密接觸，即在變形過程中，管與土沒有相對滑動或脫離，這種假定在實際工程中是可能存在的，即土體相對管道來說不是非常的“軟”。但是，對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于土體大得多，可能產生土體與管道分離現(xiàn)象，在這種情況下，是不能用彈性力學的知識來解決的。然而，基坑工程計算分析過程中不允許產生象滑坡中土體的大位移?？烧J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 算例及有限元網格劃分 算例為某懸臂式基坑

5、，平面尺寸為30 m30m，基坑開挖深度為5m，圍護結構寬度為0.6m，插入深度為10 m。根據(jù)工程經驗及有限元計算結果，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。本算例計算范圍取為60.6ml21.2m35m，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)結構對稱性，沿基坑中部取一半進行分析，共劃分7092個單元和8272個節(jié)點，其中管線共有184個單元和192個節(jié)點?；娱_挖荷載的計算和有限元分析方法見文。圖1 基坑剖面圖 計算模型的邊界條件如下： 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

6、約束；另外，模型四角豎線上點的xy方向被約束。 2.2.2 計算參數(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)點協(xié)調單元。 (2) 圍護結構：按混凝土彈性材料考慮，彈性模量進行折減后取E=25000MPa，泊松比=0.17。為了克服“過剛”現(xiàn)象，圍護結構單元采用非協(xié)調元。 (3) 地下管線：本例取混凝土管管道外徑為D=1m，壁厚t=l

7、cm，彈性模量E=2.05105MPa，泊松比=0.3?？紤]到管道大都為薄壁管，宜采用板殼單元進行有限元分析，見文。 3 影響地下管線位移的因素分析 基坑開挖導致了坑內土體應力釋放，打破了原有的力學平衡，致使圍護結構側移、基坑底部隆起，從而使墻后土體隨之位移，帶動了地下管線向坑內位移，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。上述文獻或側重于水平位移分析或側重于豎向位移分析，顯然是不全面的，而有的實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，應引起人們足夠的重

8、視。地下管線的位移受到離基坑的距離、埋深、下臥層土質、管線與周圍土層的相對剛度、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，假定其他條件不變，比如在考慮地下管線離基坑邊距離對其位移的影響時，均假定地下管線的材質、管徑、壁厚、埋深、土質相同。 3.1 地下管線離基坑邊距離的遠近對其位移的影響 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稱面上(x=60.6m)，地下管線距離基坑越遠，其位移量值越小。圖2(a)表明，地下管線水平位移在x=4

9、0m處(即離基坑邊1倍開挖深度)出現(xiàn)拐點，040m處，受基坑開挖影響小，表現(xiàn)位移較小，4060.6m處，強烈受基坑開挖的影響，出現(xiàn)較大的位移；而對于圖2(c)中的豎向位移，基本上在基坑端部產生了拐點。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，地下管線位移明顯受基坑端部抑制效應的影響，出現(xiàn)了“抑制點”，水平位移的“抑制點”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”基本位于基坑端部處，距離基坑越近，其抑制作用越強。這種現(xiàn)象的存在對地下管線的安全性是極其不利的。因為，此處的曲率突然變大且出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，是應該加強保護的地段。 3.2 不同下臥土層

10、土質的影響 由圖3看出，下臥土層對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的辦法，有效地限制地下管線的位移，但也存在著經濟方面的矛盾，要綜合加以評價和選擇。 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的比值對地下管線位移的影響 從圖5可以得出地下管線最大水平、豎向位移hma

11、x和max隨Ep/Es的比值增大而增大，Ep/Es對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可有效地控制地下管線位移。目前，實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，而對其水平位移影響不大。建議在此基礎上，在地下管線與基坑之間進行土體豎向加固，可有效減小地下管線位移，達到保護的目的。 4 地下管線保護措施分析 城市生命線工程承擔著給水、排水、供氣、供電等多項與人們日常生活息息相關的任務，為了保護臨近基坑的地下管線的安全，一般采用如下的步驟進行基坑開挖： (1) 了解基坑周圍地下管線分布情況及其類型，具體內容為：管線種類(包括管線用途、管線材

12、質、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埋設和測試方案。 (2) 根據(jù)管線材料的容許應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?shù)谋O(jiān)測方案和手段，對臨近地下管線進行現(xiàn)場測量。圖2 L/h對地下管線位移的影響圖3下臥層土質對地下管線位移的影響圖4 地下管線最大位移與h/D的關系 (4) 估價地下管線所受的影響，必要時對原設計和施工方案進行調整。 (5) 應使實測變位值不超過容許變位值，當估計有可能超過容許最大變形值時，應事先采取措施，以確保整個基坑工程的安全。圖5地下管線最大位移與Ep/E

13、s的關系 備注：所有位移圖中的位移數(shù)值符號，水平位移為正值表示地下管線向基坑內方向位移；豎向位移為負值表示地下管線向下位移。 對地下管線的保護，可采取以下措施： (1) 限制圍護結構位移，減少地下管線位移 基坑被動區(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度和變形特性，能有效地減少圍護結構的水平位移，從而減小基坑地表的沉降。 及時加設支撐 這也是減少圍護結構水平位移，改善圍護結構的受力條件，減少基坑附近地表沉陷，增強基坑穩(wěn)定性的有效方法。 逆作法施工 逆作法將地下連續(xù)墻作為地下結構的一部分。利用地下主體結構梁、板體系作為圍護結構的支撐，逐層進行挖土和梁、板、柱體

14、系的施工。此法的優(yōu)點是：減少圍護結構的變形和減小環(huán)境影響，降低基坑工程造價。 (2) 信息化施工 信息化施工可以隨時掌握施工中的各項參數(shù)，并預測下一階段乃至最后階段的狀態(tài)，可對設計、施工方案進行修正，達到工程安全、經濟的目的。城市市政管理部門和煤氣、自來水部門等對各類地下管線的允許沉降量制定了十分嚴格的規(guī)定，工程建設所有有關單位必須嚴格遵循。地下管線的監(jiān)測內容包括垂直沉降和水平位移兩部分，其測點布置和監(jiān)測頻率應在對管線狀況進行充分調查，與管線單位充分協(xié)商后予以確定。目前工程中主要采用間接測點和直接測點兩種形式。 5結 論深基坑臨近地下管線的保護問題是基坑工程中的重要課題。本文利用三維有限元方法

15、求得了地下管線的位移模式；對影響地下管線位移的主要因素進行了分析；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論，從而證實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做法。本文對基坑工程中的地下管線保護，提供了有利的理論依據(jù)，可以指志圍護結構的設計和對地下管線位移進行預測，當估計有可能會超過容許最大變形值時，應事先采取措施，以確保整個基坑工程的安全。關于印發(fā)上海市道路地下管線保護若干規(guī)定的通知2006-02-27 各區(qū)、縣建設（市政）行政管理部門、各相關行政管理部門、各有關單位： 根據(jù)國家和本市的有關規(guī)定，為加強對上海市道路管線保護監(jiān)督管理，我局制定了上海市道路地

16、下管線保護若干規(guī)定，現(xiàn)發(fā)給你們，請予執(zhí)行。原市建委文件關于保護地下管線工作的通知滬建市（98）第0331號，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)護交底卡樣張（略） 附件二：上海市建設工程道路管線安全保護承諾書樣張（略） 附件三：上海市管線外損事故報告單樣張（略）上海市市政工程管理局 二五年十二月十二日上海市道路地下管線保護若干規(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行，加強本市建設施工現(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條例、上海市城市道路與地下管線施工管理暫行辦法、上海市建設工程文明施工管理辦法的規(guī)定，結合本市道路地下管線

17、的實際情況，制定本規(guī)定。 第二條 （適用范圍） 本市建設施工對道路地下管線的保護，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)負責本市道路地下管線保護監(jiān)督的具體管理和外力損壞道路地下管線事故的協(xié)調處理、統(tǒng)計以及上報工作。 第四條 （建設單位職責） 建設單位保護道路地下管線的主要職責是： （一）明確該工程項目保護道路地下管線工作責任人； （二）核查施工單位編制的施工組織設計、保護道路地下管線方案、落實管線保護費用，并在開工前會同各管線權屬單位組織召開該工程項目保護道路地下管線工作

18、的專題會議，根據(jù)會議紀要及有關圖檔資料，向相關管線權屬單位辦理“上海市道路管線監(jiān)護交底卡”(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對道路地下管線施工的跟蹤監(jiān)測工作，進行信息化施工管理； （四）在向市建筑業(yè)管理辦公室報建項目的同時，向市道監(jiān)辦填報“上海市建設工程道路管線安全保護承諾書”（承諾書樣張見附件二）； （五）在該工程項目施工期間，督促施工單位落實保護道路地下管線方案，及時采取各項防范措施。 第五條 （施工單位職責） 施工單位保護道路地下管線的主要職責是： （一）編制施工組織設計（施工大綱），對相

19、關管線權屬單位的交底資料進行復核，制定保護道路地下管線的技術措施，并經各相關管線權屬單位審定認可后方可進行施工； （二）進行信息化施工，加強對道路地下管線動態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調整施工方案，確保道路地下管線的正常運行。一旦發(fā)生管線事故，應當及時報告相關管理部門，并積極主動地配合道路管線權屬單位進行搶修，以縮小影響和減少經濟損失； （三）施工時，施工管理人員必須向直接操作人員做好保護道路地下管線的交底工作；對原有道路地下管線情況不明、發(fā)現(xiàn)資料標明與實際管位有差異或者管線的埋設位置難以判斷的，必須立即停止施工作業(yè)，在管線權屬單位到現(xiàn)場監(jiān)護并采取相應保護管線的技術措施后方可施工。擅自施工造

20、成管線或設備損壞的，由施工單位承擔賠償責任，并接受相應的行政處罰； （四）施工組織設計變更必須具備完備的合法手續(xù)，應當及時通知所影響管線的權屬單位 ； （五）在原有道路地下管線兩側各一米范圍內，禁止使用機械開挖。 第六條 （管線權屬單位職責） 管線權屬單位保護道路地下管線的主要職責是： （一）制定及完善對權屬道路地下管線的巡查制度和對監(jiān)護員的考核制度； （二）向施工單位做好權屬道路地下管線安全的宣傳工作，增強保護道路地下管線的意識，并具體提供現(xiàn)場權屬道路地下管線的準確資料，做好書面交底工作； （三）施工單位要求配合管線現(xiàn)場監(jiān)護時，應當即時趕赴現(xiàn)場進行監(jiān)護并指導施工單位采取保護權屬道路地下管線的

21、措施； （四）在對權屬道路地下管線的巡查中發(fā)現(xiàn)違章施工作業(yè)或者危及權屬道路地下管線正常運行時，應當及時向施工作業(yè)單位提出書面整改意見，并指導施工作業(yè)單位采取保護措施。一旦發(fā)生權屬管線事故，應當及時搶修，防止事故的擴大，并按規(guī)定及時向有關部門報告。 第七條 （監(jiān)測單位職責） 監(jiān)測單位保護道路地下管線的主要職責是： （一）取得由國家或者省級測繪管理部門頒發(fā)的資格證書，并在其資質等級許可范圍內承攬測繪工程； （二）根據(jù)國家和有關部門制定的標準和規(guī)范進行測量工作，確保工作質量，不得謊報、瞞報、誤報監(jiān)測數(shù)據(jù)； （三）因監(jiān)測質量有誤造成道路地下管線事故或其他事故的，由監(jiān)測單位承擔責任。 第八條 （監(jiān)理單位職責） 監(jiān)理單位保護道路地下管線的主要職責是： （一）審查施工組織設計（施工大綱）中管線保護技術措施是否符合工程建設強制性標準，審查施工組織設計變更并簽章認可； （二