地铁深基坑施工对周边管线影响数值分析

施有志，葛修润，李秀芳，林树枝

(1. 厦门理工学院土木工程与建筑学院, 福建 厦门 361021；2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；3. 中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；4. 厦门市建设局，福建 厦门 361003)

地铁深基坑施工对周边管线影响数值分析

施有志1，2，葛修润2，3，李秀芳1，林树枝4

(1. 厦门理工学院土木工程与建筑学院, 福建 厦门 361021；2. 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；3. 中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北 武汉 430071；4. 厦门市建设局，福建 厦门 361003)

以厦门地铁一号线某深基坑的实测资料为基础，采用考虑土体小应变刚度特性的有限元方法，对基坑施工对邻近管线影响规律进行参数分析；结合规范中的变形控制标准，划分了基坑开挖对邻近管线影响分区。研究结果表明：相比于管线距基坑的水平距离，管线埋深对最大沉降量的影响更大；管线最大变形与坑外地层变形有较大的相关性，管-土之间的刚度对土体位移的限制作用有限；管线轴力随其距基坑的水平距离的减小而有所增大；管线轴线刚度越大，截面积越大，产生的轴力也越大。综合考虑基坑外管线的水平距离和埋深，基坑开挖对邻近管线的影响可划分为主要影响区(Ⅰ)、次要影响区(Ⅱ)、一般影响区(Ⅲ)和微弱影响区(Ⅳ)。

小应变刚度模型(HSS)；地铁工程；深基坑；管线；数值模拟；影响分区

目前，我国的轨道交通建设正处于蓬勃发展阶段，很多城市形成了四通八达的轨道交通网络。深基坑开挖对邻近管线的影响本质上是因为开挖卸荷造成周边土体变形，导致埋设于土体内部的管线产生附加应力。当附加应力超出抗拉强度时，就可能产生断裂破坏；另外，当管线接头转角过大，管线的不均匀沉降，将会使管线不能保持封闭状态而造成开裂破坏。管线的任何破坏都可能引发电力中断、煤气泄露、天然气破裂爆炸等事故[1-2]，甚至可能由于管线渗水软化土体，造成坍塌事故[3]。针对深基坑施工对邻近管线的影响问题，国内外学者采用室内试验、现场测试、解析及数值模拟等方法进行了一系列的研究。如Yimsiri等[4]用离心机模型和有限元方法分析了砂土中管线在深埋时水平和竖向的土与管线之间相互作用；Istanbulluoglu等[5]采用试验和数值分析法分别研究了管土相互作用。受试验条件及费用的限制，室内试验的研究成果较少。有限元模型能模拟复杂的地质与工程条件，可详细计算基坑开挖步骤、管线埋深、管线与基坑距离以及基坑刚度等不同因素对管线变形的影响[6-9]，还可模拟管线接口等细部构造[10]、考虑管道和土的相对位移影响[11]以及土与管线的相互作用[12]。除有限元之外，有限差分法等数值方法也在管线变形研究中有所应用[13]。为了得出管线变形的理论解析解，避免建模的繁琐，有的学者将管线被视为弹性地基梁，通过确定弹性地基梁上基坑开挖引起的附加荷载来进行求解，并得出各种计算公式[14-15]，如刘红岩等[16]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。解析公式由于做较多的简化，在实际应用中仍有待检验。现场的实测研究能较为客观的反映管线的变形，葛照国[17]通过现场实测研究深基坑降水对邻近管线的沉降影响。

综合目前研究现状可知，在数值模拟分析中，土体本构一般采用参数较少的摩尔-库伦或修正的剑桥模型为多，未考虑土体小应变特性，由此产生的结果会导致基坑位移变形偏大，弯矩偏小[18-19]。如邵羽等[18]通过模拟指出当土体本构选用MCC模型时地表最大沉降和最大弯矩为HSS模型时的1.2和1.3倍。较多的研究表明，小应变土体硬化本构模型是能够较为准确地反映基坑工程的小应变力学响应特性[20-24]；王卫东等[22]的研究表明HSS模型可以同时考虑土体剪切硬化和压缩硬化，而且还可以考虑初始剪切模量(G0)在微小应变范围内随阈值剪切应变(γ0)衰退的行为，并采用该模型对上海地区若干典型基坑工程进行研究，发现数值与实测值吻合得较好。但是目前鲜见采用小应变模型(HSS)对深基坑施工引起邻近管线的影响分析，对管线影响程度的分区研究也较少。基于此，本文以厦门市轨道交通一号线某地铁车站深基坑工程为背景，建立考虑土体小应变刚度特性的有限元分析模型，计算地表沉降及管线变形，通过与实测对比验证了模型的正确性；在此基础上，选择3种不同管径及材质的管线，研究管线距基坑的水平位移、埋深对管线变形及受力的影响；结合规范对管线变形控制标准，提出了基坑开挖对邻近管线变形的影响区划分，从而对邻近管线的基坑施工可能对管线产生的影响进行预先评估，有利于提前指导基坑方案和管线保护措施的制定。

1 工程概况

1.1 深基坑设计概况

厦门轨道交通一号线城市广场站为地下二层岛式车站，车站主体基坑长198.6 m，标准段基坑宽21.7 m，基坑深度16.2～17.7 m。场地工程地质情况复杂，岩层分布软硬不均，上软下硬，且起伏较大。围护桩采用Φ1 000@1 200钻孔灌注桩(C35)，插入深度为7～8 m；设四道内支撑，第一道为钢筋混凝土支撑(断面尺寸800 mm×800 mm×800 mm，间距9.7 m，C45)，其余支撑为Φ609、长度21.7m、t=16 mm的钢管支撑；四周采用Φ800@1 200三重管旋喷桩止水帷幕。标准段围护结构剖面见图1。

图1 围护结构剖面图(mm)Fig.1 Profile of retaining structure

1.2 邻近管线基本信息

基坑开挖影响范围包括三纵、两横共5条地下管线，其中影响比较大的为沿基坑纵向两侧分布的两条给水管和一条燃气管，与基坑之间的空间相对位置关系见图2。

3条管线的规格、材质、材料属性及埋深、距坑边距离等信息汇总，统一列于表1中。

图2 基坑与周边地下管线相对位置关系Fig.2 Relative position of excavation and adjacent underground pipelines

编号123相对基坑位置基坑西侧基坑西侧基坑东侧距坑边水平距离/m13034～60175～195埋深/m096～190136～190159～250用途给水燃气给水规格DN1000DN500DN600材质混凝土(C30)铸铁铸铁壁厚/mm10009099重度/(kN·m-3)250705705抗拉强度(标准值)/MPa201420420抗拉强度(设计值)/MPa1432300023000弹性模量/MPa30×10416×10516×105

2 三维数值分析模型

2.1 土体模型及计算参数

土体模型采用小应变土体硬化高级本构模型(HSS)，得出土体模型的计算参数如表2。

2.2 地层模型

考虑到基坑纵向较长，基坑纵向两端支护形式、施工方法相同，且地层分布变化不大，为提高计算效率，选取6个代表性钻孔资料揭示的地层分布信息作为建模依据，见表3。

表2 土体HSS模型的参数Table 2 Soil HSS model’s parameters

表3 城市广场站基坑钻孔土层分布Table 3 City Square Station excavation’s drilling stratum distribution m

假设土体均匀连续，钻孔之间土体按照线性插值，构建的三维数值模型如图3所示。初始地下水位取3 m，模型长宽高为140 m×80 m×30 m。模型的边界条件为：四周侧面限制水平位移，模型底部设置固定约束。

图3 城市广场站基坑三维数值模型Fig.3 City Square Station excavation’s three dimensional numerical model

2.3 围护及支撑结构模拟

基坑围护结构采用板单元模拟，通过刚度等效确定计算参数：厚度d=0.833 m，杨氏模量E=30×106kN/m2，泊松比ν12=0.2，剪切模量G12=12.5×106kN/m2。围护结构两侧与土体之间采用零厚度接触面单元模拟土与结构相互作用，接触面参数通过对与结构接触的土体强度和刚度参数进行一定程度的折减确定，折减系数见表2。混凝土支撑采用梁单元(线单元)模拟，按其实际尺寸和混凝土等级确定计算参数：截面面积A=0.64 m2，杨氏模量E=30×106kN/m2，惯性矩I2=I3=0.034 m4。钢支撑采用点对点弹簧单元(线单元)模拟，按其实际尺寸和钢材强度确定计算参数：EA=920×103kN/m。

2.4 地下管线建模

周边3条地下管线截面属性各不相同，距基坑的水平距离及其埋深也有所差异，可以从管线截面尺寸、材质、与基坑相对位置等多个方面反映基坑开挖施工过程对周边环境的扰动效应。假设地下管线满足以下几个条件：①假设地下管线连续，无原生缺陷、破损；②不考虑管道的内压力及管内流体，假设给水管综合重度与土体重度相当；③将地下管线按线单元进行处理，不考虑管道横截面尺度上的径向和切向变形及受力。

采用PLAXIS 3D软件提供的embedded beam单元模拟地下管线。根据表1及其他相关资料，将上述3条地下管线引入第3.2节建立的地层模型中，如图4所示。其中，①为DN1 000给水管，②为DN500燃气管，③为DN600给水管。DN1 000的给水管、DN500燃气管和DN600的给水管的杨氏模量分别为30.0×106，160.0×106和160.0×106kN/m2。

图4 地层、基坑支护及地下管线的三维模型Fig.4 Three dimensional numerical model of stratum, excavation support and pipelines

2.5 基坑施工阶段模拟

根据实际施工过程进行模型施工阶段设置，基坑施工过程及相应模型状态见表4。模拟过程中，考虑了坑内降水的影响，即坑内水头及孔隙水压力场的变化，能较全面反应基坑开挖时支护结构变形随开挖时间及位置而变化的主要影响因素。

表4 数值计算的施工工况Table 4 Construction case by numerical calculation

2.6 计算结果与实测验证

2.6.1 地表沉降计算与实测验证 所研究剖面与监测断面的对应关系如图5所示。车站中心桩号为YDK9+039.549，轴线4距车站中心52 m，轴线17距车站中心69 m，轴线20距车站中心94 m； 轴1-5每相邻两轴之间的距离依次为55、78、90.5、85 m；轴5-14每相邻两轴之间的距离均为97.5 m。深基坑整体开挖支护施工完毕后，现场实测地表沉降云图，并与三维数值模拟计算结果进行对比。如图6所示，三维数值计算得到的地表沉降变形特征和最大沉降量都与现场监测结果相吻合。将三维数值模型中A-A′剖面的地表沉降值与DBC-4和DBC-16现场实测沉降值进行对比，沉降计算值与实测值的极差及标准差见表5。地表沉降计算值与实测值之间的标准差处于15%以内，表明三维数值模拟能够得到与现场实测值相符的结果。

2.6.2 地下管线变形计算与实测验证 根据图2，此处在基坑东西两侧各取一条管线的沉降实测值与计算值进行对比，如表6所示。可见，地下管线沉降计算值与实测值的相对误差在20%左右。应该注意到，数值模拟计算得到的沉降值是接近最终沉降量的，而沉降实测值则只是监测到2015年9月份的沉降值，所以计算值总体上比现有的实测值偏大是合理的。这基本验证了数值模拟的合理性。

图5 轴线与监测点位置关系图Fig.5 Position relationship between axis and monitoring points

图6 城市广场站基坑地表沉降云图Fig.6 City Square Station excavation’s surface subsidence cloud picture

测点监测/mm计算/mm极差R/%标准差σ/%DBC-16-4DBC-16-3DBC-16-2DBC-16-1DBC-4-1DBC-4-2DBC-4-3DBC-4-4-1564-2382-2834-3025-2601-2851-2556-1622-1382-2612-2642-3104-2974-2922-2734-1367-1210-731427-161374

3 基坑周边地下管线参数变化分析

城市地下管线种类繁多，用途、材质和尺寸等差异较大，且分布广泛。结合地层-管线-基坑的三维数值模型，研究管线1、管线2和管线3与基坑的水平距离及埋深对管线变形的影响，以扩展研究成果的适用范围。

3. 1 水平距离的影响

3.1.1 数值模型 管线与基坑的不同水平距离变化如表7所示，地下管线距基坑边界的最远距离在相当于基坑两倍深度的水平范围之内，基本考虑了基坑开挖影响范围内的各种情况。三维模型如图7所示。

表6 管线沉降监测点Table 6 Pipeline settlement monitoring points

表7 地下管线的参数Table 7 Parameters of underground pipelines

图7 管线距基坑不同水平距离三维模型Fig.7 Three dimensional model for pipeline at different horizontal distances away from excavation

3.1.2 计算结果分析 图8为DN1 000的混凝土管的管线变形-水平距离变化曲线。图中，管线距基坑的水平距离从36 m降到了16 m。

从图8来看，管线位移极值并未出现在水平距离为16 m的管线中，而是出现在距基坑的水平距离为21～26 m的管线中，这表明管线最大变形与坑外地层变形有关。经计算发现，距基坑的水平距离不同时， DN500和DN600的铸铁管与DN1 000的混凝土管的变形差别很小，基本可以忽略。这表明虽然管-土之间存在刚度差异，但由于管线横截面相对地层分布来说非常小，对于土体位移的限制作用也十分有限。

图9-11为管线轴力随水平距离的变化。 可以看出，管线轴力随其距基坑的水平距离的减小而有所增大；管线材质、横截面尺寸对管线轴力有一定影响，管线轴线刚度越大，截面积越大，产生的轴力越大。

3. 2 埋深的影响

3.2.1数值模型 选择距基坑10 m处直径DN1 000混凝土管，研究埋深管线埋深为1，6和11 m时的整体变形情况。不同埋深时的三维模型如图12所示。

3.2.2 模拟结果 图13为不同埋深时的整体变形情况。从图中可以看出，随着埋深的变化，管线的水平位移量变化不大，管线沉降则发生显著变化；

图8 DN1 000混凝土管整体变形随其到基坑水平距离的变化Fig.8 The change of DN1 000 concrete pipe entire deformation with with different horizontal distance from excavation

图9 DN1 000混凝土管轴力随其到基坑水平距离的变化Fig.9 The change of DN1 000 concrete pipe axial force with different horizontal distance from excavation

图10 DN500铸铁管轴力随其到基坑水平距离的变化Fig.10 The change of DN500 cast iron pipe axial force with different horizontal distance from excavation

图11 DN600铸铁管轴力随其到基坑水平距离的变化Fig.11 The change of DN600 cast iron pipe axial force with different horizontal distance from excavation

图12 不同埋深时的三维模型Fig.12 Three dimensional model with different burial depths

图13 DN1 000混凝土管的整体变形随其埋深的变化 (距基坑的水平距离为10 m)Fig.13 The change of DN 1 000 concrete pipe entire deformation with different the burial depths (at a horizontal distance of 10 m from excavation)

埋深较浅时(D=1 m)最大沉降量比埋深较深时(D=11 m)增大了约67%。

图14为管线轴力随管线埋深的变化曲线。如图14所示，随着管线埋深不同，管线轴力分布有所变化，最大压力总体不变；且最大拉力随着埋深的增大而增大。总体来看，管线轴力随埋深的变化未呈现明显的规律性变化。因数值模拟中采用了小应变土体硬化本构模型，随着埋深的增大，土体刚度会随着围压的增大而增大，导致管土刚度差异有所变化。因此，在深基坑施工过程中，管线轴力变化体现出不规律性。

图14 管线轴力随其埋深的变化Fig.14 The change of pipeline axial force withwith different the change of burial depths

3.3 相对敏感度分析

考虑水平距离和管线埋深两种因素的影响，距基坑水平距离取10，5，5 m，管线埋深取1，6，11 m，计算分析各施工阶段时的管线最大沉降量的相对敏感度。不同水平距离和埋深时的三维模型如图15所示。

图15 不同水平距离和埋深时的三维模型Fig.15 The three dimensional model withfor the consideration ofdifferent horizontal distances and burial depths

参数敏感度性分析中，敏感比ηSR。是输出结果与输入参数变化百分比的比值，其定义式为：

(1)

式中，f(x)是输入为标准参数时控制指标的输出变量，f(xL,R)是改变一个输入值时所对应的控制指标的输出值。x和xL,R代表输入变量。整个敏感性分析需要执行2N+1次计算，每一次计算输入一组变量xL,R，N是需要考虑的参数的数量。根据敏感比，可以获得敏感系数ηSS：

(2)

根据参数敏感性分析得原理，以不同水平距离和埋深条件下管线得最大沉降量为指标，计算得到各施工阶段时管线最大沉降量的相对敏感度，如图16所示。

图16 水平距离和埋深对管线最大沉降的相对敏感度Fig.16 The relative sensitivity of horizontal distance and burial depth to pipeline maximum settlement

从图16可以看出，对于管线最大沉降量而言，管线埋深比其距基坑的水平距离敏感度略大，且管线埋深的相对敏感度随着基坑开挖深度增大而增加，水平距离的敏感度则随之下降。通过上述分析可以看出，在地表沉降最大的位置管线变形最大。 这是因为厦门地区约10 m深度以内为稍软地层，约10 m深度以下为稍硬的地层，基坑开挖使得外侧形成一个“类三角形”滑移区域，位于稍软地层(浅埋)的管线变形较大；且，当浅埋管线位于地表沉降槽的峰值位置时变形最大。

4 地下管线变形的影响分区

《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)[25](以下简称“城轨监测规范”)将基坑施工对周围岩土体扰动和周边环境影响的程度及范围，划分为主要、次要和可能3个工程影响分区，如图17所示。

图17 基坑工程影响分区[25]Fig.17 Excavation construction influentialinfluencing partition[25]

对本基坑算例而言，基坑施工的主要影响区地表宽度为Htan(45°-φ/2) = 16.5×tan(45°-15°/2) = 12.66 m，次要影响区地表宽度为3H= 3×16.5 = 49.5 m，在此范围之外为一般影响区。依据坑外不同距离处管线的位移结果(图8)，距基坑30 m(1.82H)以内的管线最大沉降超过30 mm，距基坑30 ～34 m(1.82H～2.06H)范围内的管线最大沉降处于20 ～30 mm区间，距基坑34～39 m(2.06H～2.36H)范围内管线最大沉降处于10 ～20 mm区间，距基坑39 m(2.36H)以外的管线沉降小于10 mm。基坑开挖深度处于15～20 m范围时，煤气管线允许沉降10 mm，其他管线允许沉降20 mm。据此，可将基坑施工影响分区调整为四个区，即主要影响区(I)、次要影响区(Ⅱ)、一般影响区(Ⅲ)和微弱影响区(Ⅳ)，距坑边水平距离依次为≤1.82H、1.82H～2.06H、2.06H～2.36H和>2.36H。

依据坑外10 m处不同埋深管线的位移结果(图13)，可以得到管线沉降30、20和10 mm时所对应的埋深为5 (0.30H)、10 (0.61H)和16.5 m(1.00H)。同样的，基坑施工影响分区为主要影响区(I)、次要影响区(Ⅱ)、一般影响区(Ⅲ)和微弱影响区(Ⅳ)，埋深依次为≤0.30H、0.30H～0.61H、0.61H～1.00H和>1.0H。综合考虑基坑外管线水平距离及埋深因素，调整后的影响分区如图18所示。

图18 邻近管线基坑施工影响分区Fig.18 Adjacent pipeline excavation construction influentialinfluencing partition

5 结 论

本文通过全三维基坑降水开挖支护及流固耦合分析，获得深基坑降水开挖支护三维空间效应特征，在考虑不同管线材质、截面、距离等因素的前提下，得到了基坑开挖对管线的影响特征，并针对最不利管线的变形区域，提出影响分区，主要结论如下：

1)相对于基坑的水平距离而言，管线最大变形与坑外地层变形具有较大的相关性，虽然管-土之间存在刚度差异，但由于管线横截面相对地层分布来说还是非常小，对土体位移的限制作用十分有限；管线轴力随其距基坑水平距离的减小而有所增大，管线材质、横截面对基坑开挖影响下管线轴力有一定影响，管线轴线刚度越大，产生的轴力越大。

2)管线水平位移量值随埋深变化不大，管线沉降则随埋深不同发生显著变化；管线轴力随埋深的变化未发现明显规律性。由于三维模拟中使用了小应变土体硬化高级本构模型，随埋深增大，土体刚度亦随围压增大而增大，导致管土刚度差异有所变化，在深基坑复杂施工过程影响下，管线轴力变化体现出不规律性。

3)对于基坑开挖施工过程中引起的管线最大沉降量而言，管线埋深比其距基坑水平距离的影响敏感度略大，且管线埋深的相对敏感度随着基坑开挖深度增大而增加，水平距离的敏感度则随之下降。

4)综合考虑基坑外管线水平距离及埋深因素，将基坑开挖对邻近管线的影响分区调整为：主要影响区(I)、次要影响区(Ⅱ)、一般影响区(Ⅲ)和微弱影响区(Ⅳ)，距坑边水平距离依次为≤1.82H、1.82H～2.06H、2.06H～2.36H和>2.36H；埋深依次为≤0.30H、0.30H～0.61H、0.61H～1.00H、>1.00H。

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Numericalanalysisontheinfluenceofdeepmetroexcavationconstructiononadjacentpipelines

SHIYouzhi1，2，GEXiurun2,3，LIXiufang1，LINShuzhi4

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Xiamen University of Technology, Xiamen 361021, China; 2. Shanghai Jiao Tong University，School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai 200240, China;3. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hubei 430071， China;4. Xiamen Construction Bureau, Xiamen 361003, China)

The deep metro excavation will lead to the deformation of adjacent pipelines. Knowing the influence of excavation construction on pipelines has significant meanings for controlling the deformation of pipelines effectively and reducing construction risks. Based on the actual measurement data of some excavation of Xiamen line 1, parametric analysis is applied to the influence of excavation on adjacent pipelines by using the finite element method with the consideration of soil small strain stiffness characteristics. The influential zone of adjacent pipelines is divided combined with control standards on deformation. The study shows that burial depth of pipelines, compared to the horizontal distance of which from excavation, has a larger influence to the maximum settlement of pipelines. The maximum deformation of pipelines has considerable correlation to stratum deformation outside the excavation. The stiffness between pipeline and soil has limited restrictions to the soil displacement. The axial force will increase as the horizon distance from excavation declines. The larger axis stiffness and sectional area are, the bigger the axial force is. With overall consideration of pipelines horizontal distance, burial depth and other factors, the influence of excavation on adjacent pipelines can be divided into main influence area(Ⅰ), minor influence area(Ⅱ), general influence area(Ⅲ) and weak influence area(Ⅳ).

HS small model(HSS); metro engineering; deep foundation pit; pipeline; numerical simulation; partition of impact

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.06.013

2016-08-27

福建省自然科学基金(2016J01271)；福建省住房和城乡建设厅科学技术项目(2016-K-26)；厦门市建设局科技项目(XJK-2017-1-3)

施有志(1976年生)，男；研究方向岩土与地下工程；E-mail:2013110907@xmut.edu.cn

TU435

A

0529-6579(2017)06-0083-11