基坑开挖对周边地下管线影响研究现状及展望

李向群 张兆辉 孙 超

(吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，长春 130118)

随着地下空间的利用越来越广泛，基坑开挖引起周边地下管线发生位移破坏的事故屡见不鲜.面临着复杂的基坑周边环境，对基坑支护及周边环境的保护提出更为严格的要求.为了避免此类事故的发生，应加强对基坑工程对周边地下管线的研究.本文通过收集国内外现有研究成果，对研究现状进行了归纳总结，对未来的发展趋势进行了探讨.

1 国内外研究现状

1.1 理论研究

Peck R B［1］教授(1969)对基坑开挖引起的变形做出了详细的研究，对于基坑开挖引起周边环境的变化，得出了基坑开挖过程中，砂土和硬粘土的沉降范围一般在二倍开挖深度内，而在软土地基环境中，基坑开挖引起周围环境的变化在2.5～4倍开完深度范围内.ISMIHARA K［2］(1970)对基坑开挖引起周围环境变化大的因素进行了定性的分析，得出了影响周围环境变化的应收有基坑的尺寸、土体参数、地下水位、基坑暴露在空气中的时间、基坑周边建筑物、活荷载等.Bolton，M.D，Powrie，W［3］(1988)利用有限元方法得出在基坑失稳时基坑围护结构性能变化情况、以及土体与围护结构之间出现的变形、位移、沉降以及空隙水压力的分布规律.

周申一［4］(1987)提到了几种深基坑支护的几种方式:钢板桩支护、地下连续墙支护、沉井、沉箱等几种支护方式;简要介绍了几种支护方式，浅谈了关于基坑在支护方式下开挖对周边的影响.徐方京［5］(1993)以软土地区地基下的地下连续墙支护下基坑开挖，由于软土地基下由于基坑开挖引起的土位移以及地表沉降与位移的关系进行分析，并结合Rayleigh分布函数，找出基坑开挖过程中最大地表沉降位置，并利用地表最大沉降位置判断基坑安全性.

李佳川［6］(1995)首次采用空间八节点非协调等参元方法，研究在深基坑开挖过程中地下连续墙支护模式下土体沉降沿基坑纵向的分布规律，并且引进了沉降传递系数的概念，以地表沉降值估算出地下管线位置处的大约沉降量，然后对地下管线安全性分析再支护.得出了在地下连续墙墙后约一倍开挖深度内的地下管线趁手的位移最大，特别是管线相接处易破坏.谢明［7］(1996)根据地下埋设管线的类型、埋设地下管线的分布规律、地下管线的非正常分布和埋深;对岩土工程初期勘察过程中对于地下管线的保护提出了非常有效的方法.

李大勇［8］(1999)针对基坑开挖对周围地下管线影响这一问题，利用Winkler弹性地基梁理论，建立了地基基坑开挖过程中的地下管线的水平位移与竖向位移方程，而且探讨了把地下管线想象成两段固定的支座梁进行计算的合理性，分析影响地下管线位移的影响因数，然后根据具体工程实例，分析实际数据与理论的差异，得出实验数据与理论比较吻合的结论.

李大勇［9］(2002)提出了几个对受基坑开挖影响的地下管线的保护措施，措施有:基坑被动去加固、及时加设支撑、逆作法施工、信息化施工.对于深基坑开挖对地下管线的影响研究规律的研究，包括内撑式基坑工程中土体的开挖顺序、内撑式支撑的刚度、地下管线的埋设位置、以及地下管线与基坑的距离等因数对地下管线的影响，并对这些因数进行综合分析比较.

李大勇，龚晓南［10］(2003)对深基坑开挖对周围地下管线影响规律进行了研究，这是基坑坏境工程的重要课题.在对Singhal研究的基础上，加入考虑基坑围护结构、土体与地下管线变形耦合作用的因数，运用三维有限元法，求解了在基坑开挖作用下地下柔性管线的内力和位移，为基坑坏境工程研究提供了一定的理论依据和实践指导方法.

胡冬［11］(2008)分析悬臂式和内撑式基坑开挖引起地下管线变形的影响因素.管线的最大应力出现在基坑的中间位置，所以对中间位置处的管线更加注意保护，底线管线的位移随管线埋深的增加而减小;随着距离基坑距离的增大而减小.基坑开挖范围越大，则开挖对地下管线的影响范围越大，管线的位移也越大;基坑短边边长越大，基坑空间作用越明显，管线的位移也越小.在基坑趋近于正方形时，管线位移最小.蔡建鹏等［12］(2010)从基坑变形统计预测曲线出发，提出了基坑临近地下管线受基坑开挖影响分析的DCFEM法，并且在分别考虑均质地基和层状地基的不同条件下，对基坑开挖对临近地下管线变形和受力的影响进行了分析比较研究，与整体有限元法进行分析对比，得出了两种方法的结果基本一致，为基坑开挖的坏境影响标准评价提供了理论依据.

段贤伟［13］(2010)研究了国内外基坑开挖、土工格栅和地下管线的发展，并且在对基坑开挖土体采用Hardning－Soil模型、利用有限元方法对基坑开挖过程中不同地下管线的数量，以及在不同管线数量的前提下不同管径的管线在基坑开挖下的影响，研究了土工格栅对减少管道不均匀沉降的影响.得出了管道外侧土体产生的位移能力随着管线增多而加强、随着管线直径的增加而增强、墙背土体产生的位移随着基坑尺寸的增加而增大，但位移和最大值出现的范围不变.

姜峥［14］(2014)提出可以把基坑开挖过程中的土体变形作为管线弹性地基梁的作用荷载，并且推导出管线变形和内里的解析和便于计算的加权残值解，管线弹性地基梁变形和内力的解析解在计算上如果存在困难，可以采用加权残值解计算，基坑与管线的空间关系，实际上是基坑一侧的管线受到扭矩作用.王树和等［15］(2014)提出在开挖过程中邻近地下管线会产生水平位移和竖向位移，而且水平位移比竖向位移大;而且对于悬臂桩支护基坑，增加桩径会使得地下管线的位移大幅减少;地下管线的位移随着桩心距的增大而减少，但是变化不大;管线离基坑越近，水平位移和竖向位移就越大;反之就越小.埋地管线埋深越大，竖向位移就越小，管线埋深在基坑深度1/3位置时，水平位移最大.埋地管线周围土体弹性模量越小，管线竖向位移和水平位移越大，反之越小.管线中间部位位移水平位移约为竖向位移的4倍.

1.2 现场监测研究

Attwell PB［16］(1986)探讨了实际地下工程或基坑开挖过程张引起的地面沉降以及对地面建筑物和地下管线的影响.

陈基炜［17］(2000)着重市政管线的保护问题，对这类管线的监测保护显得比较特殊重要，本文中采用有效的监测手段，保证了很高的保护监测条件.

褚伟洪等［18］(2005)以环球金融中心塔楼深基坑施工为实例，运用监测手段，对超深圆形基坑在开挖过程中应力应变的实际变化特征为基础，分析降低承压水头压力与周边管线位移及周围建构筑物沉降变化之间的联系，以大量的图标对监测数据的变化规律进行了分析.为以后实际施工提供重要经验及数据.

史永高等［19］(2007)在深基坑开挖过程中，对基坑周围的土体和相邻建筑物以及周边地下管线进行综合系统的监测分析，以对实际工程更加实际深入了解，以检测手段配合实际工程，在施工过程中保证深基坑周边地下管线的安全.以深基坑周边建筑物和地下管线的实际位移差异分析再深基坑开挖过程中对地埋管线的影响.

刘红岩等［20］(2011)针对基坑开挖对临近地下管线的安全性评价这一实际问题，提出了再弹性地基梁理论的基础上，根据现场地表沉降曲线计算基坑开挖对临近地下管线的位移的方法，以检测为手段实际解决实际问题.弥补前任假设地下管线上方地面沉降曲线的不足.并采用数值模拟软件进行验证，结果符合实际工程实例.

吴锋波等［21］(2013)根据城市里面地下管线的变形特点和自身特性，明确了柔性管线和刚性管线的控制指标.综合分析了地表位移、管线的自身位移、应力应变和转交等地下管线重要控制指标.通过对大城市地下管线的实际监测，得出了指出工程施工可造成地下管线出现较大的整体沉降，地层较为软弱时管线总沉降量可能远超沉降控制值，要合理控制地下管线的差异沉降，工程实际要合理控制总体沉降和差异沉降，以合理实际的评价地下管线的安全性.

鲍闯［22］(2014)以地铁基坑紧邻的地下管线作为研究对象，依据对基坑开挖过程中地下管线的沉降数据，得出了地下管线的沉降在开挖期间变化较大，及时加设支撑且浇筑底板时，管线沉降变形速率减缓;多个测点的最大累积变形值已经达到或超过累计变形控制值时，相邻测点的相对变形值在规范控制值范围以内，属于均匀沉降变形，管线是安全的;当最后管线沉降变形速率小于一定沉降量时，可认为是进入稳定阶段，变形已经趋于稳定，即可申请停止监测.

1.3 数值模拟分析研究

CROFTS JE等［23］(1977)提出了浅埋管道在平行基坑开挖回填过程中产生的水平移动的原理，模拟出基坑平行侧浅埋管线在基坑开挖回填过程中的弹性模型，提出了一种新的方法估算基坑侧向浅埋管线受力断裂极限状态.

YIMSIRIS等［24］(2004)对地下管道在土壤中受砂土作用达到峰值时的受力分析研究，总计分析了地下管线在受力达到峰值时的环境条件.在不同埋置条件下地下管线达到峰值时的受力影响分析，以及在不同土壤模型下，摩尔－库伦和Nor－Sand两种不同的土壤模型下分析地埋管线达到峰值时的情况.

李大勇［25］(2001)运用数值模拟建立了同时考虑基坑的围护结构、土体与地下管线之间的变形耦合作用的三维有限元分析模型，然后运用数值模拟的方法对基坑开挖过程中地下管线的保护措施的几种方法进行了对比分析，得出了在地下管线下部注浆加固只能控制地下管线的竖向位移，对于管线的水平位移帮助不大，最有效的控制地下管线位移的办法是对管线周围的土体进行加固，坑内土体被动区域加固可以有效降低管线周围沉降且效果明显.

刘忠昌［26］(2005)利用数值模拟的方法，详细分析了地下管线在墙锚式支护结构下的变形，这些影响变形的因素包括:分步开挖的影、管线埋深、距离基坑远近、锚杆位置、地下连续墙入土深度、第一种堆载情况、第二种堆载、基坑尺寸比例.还针对地下管线的变形特点提出了两种对地下管线加固的方法并对这两种方法进行了数值模拟并加以比较分析.

段绍伟，沈蒲生［27］(2005)采用非线性有限元方法对深基坑开挖引起的地表沉降量与墙体挠度的关系进行了研究，模拟了土体分别与支护墙体、地下管线的相互作用，分析了土体与地下管线的应力应变关系，并且建立了接触面上的应力应变方程，得出了当基坑开挖过程中地表沉降达到一定沉降量的时候将会引起地下管线的竖向拉裂破坏，同样当支护墙体侧向挠度达到一定值时，地下管线将会被引起水平破坏.

张孟喜等［28］(2006)运用数值模拟软件对基坑开挖的全过程进行全部分析，分析了土体在不同的参数，在基坑不同的顺序以及不同的开挖深度下对基坑周围地下管线的位移变形发展规律的影响分析，并且利用改进的BP神经网络方法进行实时建模预测，并且得出结论;如果增大底线管线下卧层的弹性模量可以大幅度减少地下管线位移.在加载支撑顺序上如果先加支撑再进行开挖可以大幅度减少周围地下管线的位移.

贾洪斌［29］(2007)结合伤害世博变电站工程，对深基坑开挖过程中对地埋管线的影响以及安全问题进行了较为系统的分析研究，运用数值模拟方法，在考虑基坑与土，土与管线之间的相互作用的情况下，进行分析，分析因数有:分布开挖的影响、基坑开挖尺寸的影响、不同管径的影响、管线距离基坑远近的影响.得出了基坑初开挖时对侧边地埋管线影响较大，影响会越来越大，最大影响范围为基坑开挖长度的3倍距离，相同条件下管线越小引起的管线位移越大，管线越大管线上的弯矩越大.

王磊等［30］(2008)采用三维有限元模型，从管线的位移场入手，对两个相邻深基坑开挖对周围管线的影响进行模拟分析，从几个方面进行分析:开挖的步骤，管线的埋藏深度、管线距离两个基坑的距离，管线的材质，下卧层和管线与周围土体的模量比.得出了在基坑的边角处是管线最容易破坏的地方，应该加以支护.管线在相邻两个基坑的共同影响作用下，管线的水平位移受影响较大，但是竖向位移相比于水平位移明显较小.管线的埋深对管线的竖向位移影响较大;对管线的水平位移影响较对管线的竖向位移影响要小得多.

杜金龙，杨敏［31］(2009)利用FLAC3D分析基坑开挖对临近不同管径管线的影响，建立深基坑开挖对临近地埋管线影响的评估方法.得出了管径大小对管、土相互作用影响很大，土体位移对不同管径管线的影响分为两类，在400mm管径以内的管线，管线位移与土体相同，除此之外应考虑土体与管线的相互作用.管线的最大曲率、转角、最大应力、弯矩均发生在基坑端角部20%开挖长度的范围内.

张海林等［32］(2010)对基坑开挖与地下管线的关系运用模拟软件进行整体分析，并建模.临近管线守深基坑开挖的影响明显，且开挖越深影响越大.支撑的设置有效减少了基坑开挖过程中基坑周边土层的位移，进而有效地预防邻近管线发生位移.避免影响到管线正常的工作状态，深基坑开挖引起邻近管线变形最大弯点出现在坑角附近，所以应该加以支护.

袁小平等［33］(2010)运用数值模拟的方法针对深基坑双层开挖对地下管线的影响，采用三维有限元法分析其管线变化规律，其中包括未加支撑的影响、加支撑的影响、支撑刚度的影响、周围土体的弹性模量和支护结构变形等因素影响.得出了加支撑相比于不加支撑的情况下，对上层管线的影响较大.土体的变形模量对下层管线的影响较大.下层管线的水平位移受支护结构的变形控制明显，上层管线的水平位移变形较复杂，受支护结构的变形控制作用不明显.

张陈蓉等［34］(2012)指出基坑开挖会引起邻近区域地埋管线的附加受力和变形，甚至会引起管线的开裂破坏.基于位移控制理论，对板式支护体系由于基坑开挖而引起的周边自由土体位移场的分布规律进行了探讨，通过位移控制两阶段简化分析方法与位移控制有限元方法的对比，验证了简化方法的合理性.并且从管线自身承受能力角度提出基坑开挖对管线保护的变形控制指标.对同一开挖深度，距离基坑不同距离的管线，其对于变形的要求与管线出土体的沉降有关.

王成华等［35］(2013)为研究基坑开挖对于地下管线工作性状的影响，进而对管道安全评估提供理论参考.利用数值模拟建立有限元模型.对土体采用Hardening－Soil模型.得出了管线距离基坑距离越近，则管线的位移变形越大，而且相对于地面位移则变小.管线位移随着管线的数量增加而减小，管线的内力与变形与基坑开挖参数之间的管线是非线性关系.

王冬至等［36］(2014)通过用FLAC3D模拟软件模拟基坑分步开挖，得到影响管线损伤的影响因素，然后运用综合模糊评判的方法和采用最大隶属度的原则，得出每层开挖后管线损伤级别，并对该工程地下管线是否可能发生损伤泄露做出评判，今后的实际工程应用提供参考依据.得出了影响管线损伤的因素主要有管道埋深、地下水、和管道材质、管道尺寸.

高冬冬等［37］(2014)对基坑开挖对临近管线的影响研究基于三维有限元，从管线的位移场入手.对于两相邻基坑同时开挖对于中间地下管线在不同土体参数下受到的影响进行研究.得出了管线的水平位移和竖向位移随着管线和土体的弹性模量比的增大而减小，但是并不是对管线周围土体加固就能减少管线的位移，对管线周围土体的加固对管线的竖向位移影响较大，对周围土体整体加固效果更好.管线的位移变化主要取决于管线处于下卧层处的土体情况.

2 未来工作展望

基坑开挖对周边地下管线影响的研究在理论分析方法和现场监测、数值模拟分析等方面均取得了较大成就.但仍有多方面问题需要我们去解决，在未来需要关注以下几方面研究工作:

(1)采用理论分析方法可以给出较为准确的数据，但理论实验参数和实际工程实例还是存在差异，理论模型参数只能作为参考，还是要以实际工程数据作为依据.在理论实验与实际工程实例相结合的情况下去解决实际问题.

(2)现在基坑开挖对周边地下管线的影响主要是在基坑开挖过程中土体的应力释放导致基坑周边地下管线位移乃至变形，所以以实际现场检测为主，或者基坑周边地下管线实测数据，才能很好的反应基坑开挖过程中地下管线的实际情况.尤其在基坑开挖结束后对管线的实际情况也要慎重考虑.

(3)利用数值模拟方法模拟基坑开挖对周边地下管线的影响，虽然可以得出模拟结果，但由于模拟软件本身并不能代替实际工程中出现的实际复杂的情况，而且在数值模型中对于各种参数的选择往往与实际工程存在差异，而且由于数值模拟软件本身的不成熟，所以数值模拟在对于工程模拟时仅仅能提供参考，并不能以之为依据.应该以工程实际为主.

［1］Peck R B.Deep excavation tunneling in soft－ground.State－of－the－Art－Report:proceedings of the 7th Int Conf Soil Mech，Fdn.Engrg.F，1969［C］.

［2］ISHIHARA K.Relations between process of cutting and uniqueness of solutions［J］.Soil and foundation，1970，10(3):50 －65.

［3］Bolton，M.D.Powrie，W.Behavior of diaphragm walls in clay prior to collapse［J］.Geotechnique，1988，38(2):125 －134.

［4］周申一.深基坑的开挖与支护［J］.建筑施工，1987(5):4 －11.

［5］徐方京.地下连续墙深基坑开挖综合特征［J］.岩土工程学报，1993(11):28－33.

［6］李佳川.地下连续墙深基坑开挖与纵向地下管线保护［J］.同济大学学报，1995(10):499－504.

［7］谢 明.地铁及轻轨岩土工程勘查中地下管线的保护问题［J］.地铁与轻轨，1996(3):26－32.

［8］李大勇.深基坑开挖引起临近地下管线的位移分析［D］.杭州:浙江大学，1999.

［9］李大勇.深基坑工程中地下管线的保护问题分析［J］.建筑技术，2002(2):95－96.

［10］李大勇，龚晓南.软土地区深基坑工程临近柔性接口地下管线的性状分析［J］.土木工程学报，2003(2):77－80.

［11］胡 冬.深基坑开挖对周围地下管线变形影响的有限元分析［D］.南京:南京航空航天大学，2008.

［12］蔡建鹏，黄茂松，钱建固，徐中华.基坑开挖对临近地下管线分析的DCFEM法［J］.地下工程与空间，2010(2):120－124.

［13］段贤伟.软土地基大型基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析［D］.天津:天津大学，2010.

［14］姜 峥.基坑开挖引起邻近管线变形的理论解析［J］.地下空间与学报，2014(4):362－368.

［15］王树和，袁 骥，张举兵.悬臂桩支护基坑开挖对邻近埋地管线的影响［J］.北京科技大学学报，2014(2):266－273.

［16］Attwell PB.Soil movement induced by tunneling and their effects or pipelines and structures［C］.Black Chapman and Ha11，1986:20 －46.

［17］陈基炜.信息化监测在陆家嘴地铁车站3，4轴施工中的应用［J］.上海地质，2000(3):37－41.

［18］褚伟洪，黄永进，张晓沪.上海环球金融中心塔楼深基坑施工监测实录［J］.地下空间与工程学报，2005(8):627－633.

［19］史永高，党胜玻，刘百来，李胜利.深基坑工程检测分析方法［J］.西安工业大学学报，2007(2):88－90.

［20］刘红岩，李厚恩，黄妤诗，吕淑然.基于实测地表位移的基坑开挖引起临近地下管线位移的计算［J］.工业建筑，2011(3):72－74.

［21］吴锋波，金 淮，谢谟文，刘永勤.城市轨道交通基坑工程监测预警标准研究［J］.施工技术，2013(10):103－107.

［22］鲍 闯.城市地铁开挖对地下管线的安全性影响分析［J］.河南科技，2014(1):142－143.

［23］CROFTS JE，MENZIEST BK，TARZI A I.Lateral displacement of shallow buried pipelines due to adjacent deep trench excavations［J］.Geotechnique，1977，27(2):161 －179.

［24］YIMSIRIS，SOGAK，YOSHIZAKIK.Lateral and upward soil－ pipe interactions in sand for deep embedment conditions［J］.Journal of Geotech-nical and Geoenvironmental Engineering，2004，130(8):830 －842.

［25］李大勇.软土地基深基坑周围地下管线保护措施的数值模拟［J］.岩土工程学报，2001(11):736－740.

［26］刘忠昌.深基坑开挖对近邻地下管线位移影响的数值模拟分析［D］.北京:北京工业大学，2005.

［27］段绍伟，沈蒲生.深基坑开挖引起邻近管线破坏分析［J］.工程力学，2005(8):79－83.

［28］张孟喜，黄 瑾，王玉玲.基坑开挖对地下管线影响的有限元分析及神经网络预测［J］.岩土工程学报，2006(11):1350－1354.

［29］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.

［30］王 磊，周 健，贾敏才，肖昭然.相邻深基坑开挖对地下管线影响因素的分析［J］.工业建筑，2008(1):65－70.

［31］杜金龙，杨 敏.深基坑开挖对邻近地埋管线影响分析［J］.岩石力学与工程学报，2009(5):3015－3020.

［32］张海林，邱卫民，肖显强.深基坑开挖对邻近地下管线影响的数值分析［J］.安徽建筑，2010(5):75－76.

［33］袁小平，刘红岩，吕淑然.深基坑开挖对双层地下管线影响的有限元分析［J］.工业建筑，2010(10):771－775.

［34］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(7):2027－2034.

［35］王成华，段贤伟.基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析［J］.地下空间与工程学报，2013(10):1166－1172.

［36］王冬至，彭功勋，魏立新，隋军，牟在根.基坑开挖对地下管线损伤评估的研究［J］.科技创新导报，2014(5):95－101.

［37］高冬冬，任 磊.相邻深基坑不同土体参数对地下管线影响分析［J］.河南建材，2014(4):37－40.