深基坑开挖对邻近管线影响的研究现状与展望

龙志伟　朱　俊　何　莉

（贵州交通职业技术学院，贵州 贵阳 550008）

【摘　要】简要地介绍了理论分析、试验研究、数值计算等方法在深基坑开挖对邻近管线影响研究中的应用，归纳总结了各方法的优点及局限性。在此基础上，重点综述了目前相关研究现状，并指出研究中存在的不足，针对研究中存在的问题提出了今后研究的方向。

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关键词 深基坑；管线；理论分析；试验研究；数值计算

作者简介：龙志伟（1987—），男，湖南邵阳人，工学硕士，主要从事岩土工程方面的研究。

0　引言

随着经济的发展，城市化进程的加快，为缓解用地压力，大量高层、超高层建筑相继涌现，这又导致大量基坑的出现。在城市中进行深基坑的开挖，必然会引起周围地层发生扰动，打破原来的初始地应力平衡，这将使周边的道路、建筑物、管线产生附加应力和位移，从而导致建筑物倾斜、道路、管线开裂破坏。因此，为保证周边建筑物及地埋管线的安全和正常使用，在进行基坑的设计时不仅应该满足强度要求，而且要实现对周边扰动土体的变形控制[1]。

城市地下管线担负着城市供水、供电、燃气和通讯等重要功能，被称为“城市生命线”，一旦发生事故，后果不堪设想。随着城市建设的发展，基坑开挖导致邻近管线破坏的问题会越来越多，为了保证邻近地下管线在基坑开挖过程中正常安全运行，减少由此造成的经济损失，必须对地埋管线的破坏机理，和基坑开挖过程中管线变形规律及力学响应进行深入的研究。

目前，针对深基坑开挖对邻近管线影响机理的研究，主要的方法有理论分析、试验研究和数值计算等，本文将分别进行归纳总结，并对研究中存在的问题及今后的研究方向提出几点看法。

1　理论分析法

在理论研究方面，目前应用较多的是弹性地基梁分析法。弹性地基梁分析法是将管线看作放置在弹性地基上的梁，这种方法虽只比较简单地考虑了管土之间的作用，但只要输入的参数得当，仍可以得到比较合理的预测结果，目前在工程上应用较为广泛[2]。

O’Rourke（1982）[3]将地下管线看作理想刚性管和柔性管两类，假定理想柔性管与地层变形一致，接头处不发生转动，而将理想刚性管与土体的相互作用采用弹簧-滑块模型进行模拟，仅考虑其在接头转角处的位移。秦昊[2]采用弹性地基梁理论对地下管线的变形及受力机理进行了探讨。研究认为：基坑开挖引起的周围地下管线的位移变形包括水平和垂直方向上的位移变形，同时以煤气管线为例，根据弹性地基梁的理论及Matlab软件求出其垂直位移曲线方程为：

w(x)=-46.88-9×10-5x3+0.036x2-3.4x+1.1×10-6e-1.2278x[cos(1.2278x)-sin(1.2278x)]

范德伟等[4]基于Winker弹性地基梁理论，分析了地铁隧道开挖过程中，地下管线的受力及变形情况，得到了由开挖引起的管线最大剪力和最大弯矩。Takagi等[5]基于弹性地基梁理论，分析了由隧道开挖过程中，钢管、铸铁管上的受力情况。并对弹性地基梁方程进行了简化处理，其简化结果如下：

式中：S为土体沉降量；Sp为管线沉降量；EI 为管线弯曲刚度；k 为地基基床系数；d 为管线直径。张陈蓉等[1]基于统计规律和现有的研究基础，得到了上海软黏土地区板式围护结构基坑围护墙的侧向变形以及地表沉降曲线预测公式，同时采用位移控制有限元法（DCFEM）法和位移控制两阶段法分别对基坑开挖过程中地埋管线的受力变形进行了分析，并通过算例验证，证明了该方法的合理性。李志高[6]分析了地下管线在差异沉降作用下的受力与变形，总结得到了接头为焊接的管道有和有接头的管道德变形控制标准，同时提出了邻近基坑地下管线的工程保护措施。廖少明、刘建航[7]把地下管线分为柔性管和刚性管，并提出了相应的计算方法。对于刚性管，其计算模型如图1、图2所示。

EP——管道的弹性模量；IP——管道的截面惯性矩；q——作用在管道上的压力。

按图2所示，当地层无下沉时，q=KWp；当地层下沉 W 时 q=KWp-KW，即相当于在管道上施加压力 q=KW，W 为管处的地层沉降量。

对于柔性管,研究认为,为分析其在地层下沉时的受力变形规律,可从管节接缝张开值,管节纵向受弯曲及横向受力等方面分析每节管道可能承受的管道地基差异沉降值,或沉降曲线的曲率。

就目前理论分析而言，大多数学者将管线与土体之间的作用当作弹簧-滑块模型进行计算分析，且仅将管线看作轴向刚度均匀的柔性管或刚性管，而未考虑管线接口形式和刚度的不同所造成的影响，研究成果具有很大的局限性。因此，有必要对管土之间的作用机理和考虑接口形式和刚度不同时管线的力学响应及变形特征作更深入的研究。

2　试验研究法

试验研究法包括现场试验、相似材料试验和离心机试验，能够较真实的反映管线在外部因素作用下的力学及位移变化规律，且能对理论分析和数值计算结果进行对比验证。因而，在课题的研究中得到了广泛的应用[2]。

Singhal[8]在试验基础上，把公称直径为 100mm、150mm、200mm 及 250mm 的离心铸造球墨铸铁管作为研究对象，并得到了轴心拉拔力 P、弯矩 M和扭矩 T 的计算公式。同时还有很多学者利用工程类比及模型试验法进行了深入研究，如Crofts、Menzies和Tarzi [9]提出了一种估算由基坑开挖引起地下管线水平位移的方法。研究认为地下管线向基坑内的水平位移由下式四部分组成：x=x1+x2+x3+x4。式中:x1——由基坑壁向坑内膨胀而导致的地下管线水平位移；x2——由基坑壁与围护结构接触而导致的地下管线水平位移；x3——由于围护结构的弯曲而导致的地下管线水平位移；x4——由于基坑内的回填土的固结而引起的地下管线的水平位移。 赵文等[10]采用实测的方法对沈阳地铁一号线盾构隧道施工过程中地下管线的受力和变形状态进行了研究，并通过对管材的材料试验结果进行分析认为地下管线在施工过程中不会破坏，处于安全状态。

综合以上研究成果，目前研究主要集中于对某一特定类型的管线在某一特殊地层中的内力及变形规律进行讨论。然而，现实工程中管线种类繁多，材料性质差异巨大，现有研究成果难以完全揭示管线与土体之间作用的普遍规律，只能反映某一特定情况下管线的变形特征。因此，为得到不同类型的管线在不同地层中的作用机理，须结合理论分析和数值计算的方法作进一步的研究。

3　数值计算法

数值计算方法不但能模拟基坑分布开挖整个过程对管线的作用，还可以考虑结构-土体之间的相互作用及许多复杂因素对计算模型的影响，在研究过程中得到了广泛的应用。

李大勇等[11]基于三维有限元方法，并考虑管土及基坑围护结构三者的耦合作用,分析了基坑内被动区土体、地下管线底部土体及侧向土体加固对对地下管线位移的影响。研究表明：基坑被动区土体加固能够最有效地控制地下管线的位移，但在同一加固宽度下,加固深度超过某一最佳加固深度时，加固效果并不理想。因此，为获得最佳经济效益，必须确定最优加固宽度和深度。随后李大勇等[12]采用有限元方法研究了不同因素作用下的内撑式基坑开挖对周围地下管线影响，研究表明：随基坑开挖深度的增加，地下管线位移逐渐增加，加大支撑刚度能够有效地控制地下管线的位移，但当支撑刚度超过某一界限时，其对管线位移的影响并不显著。 贾洪斌[13]利用有限差分软件FLAC3D分析了基坑分步开挖、开挖尺寸、不同管径、管线距离基坑远近等因素对地下管线变形的影响。同时，给出了在己知管线材料及管线水平、竖向位移的情况下,通过计算管线的应力、弯矩和转角来判断管线安全状况的方法。胡冬[14]利用ANSYS软件，分别考虑了不同因素作用下悬臂式基坑与内撑式基坑开挖对地下管线位移的影响。研究表明：管线弹性模量越大、离基坑越远、埋深越大、下卧层及管线周围土体弹性模量越大，管线的位移越小；随基坑开挖范围及深度的增大，管线的位移逐步增大；同时，研究指出内支撑式基坑中埋深对地下管线位移的影响与悬臂式基坑相比有显著的不同，在一定深度范围内，地下管线的水平位移及竖向位移随着埋深的增加而增大，但当位移达到最大值后，随着埋深的增加而逐渐减小。

目前，众多学者采用数值计算方法对临近深基坑的管线进行了很多研究。但研究仅限于从基坑支护结构参数、管线材料参数和空间位置等方面探讨对地埋管线的影响，极少考虑基坑降水及地表降雨的作用，且大多只针对某一特定土体。为得到更为准确合理的结果，考虑基坑、管线和渗流三者之间的耦合作用，并对处于不同地层的管线展开研究，就显得极为重要了。

4　结语

地下管线是整个城市系统的重要组成部分，犹如人体的血管，因此，保证地下管线在基坑开挖过程中的运营安全是至关重要的。目前，众多学者运用理论分析、试验及数值计算等方法对此展开了研究，得到了很多有用的结论。然而，由于管线种类、基坑支护形式多样，以及管土相互作用的复杂性，现在还难以完全掌握基坑开挖对邻近管线的影响机理。综合已有研究成果，为进一步研究地埋管线在基坑开挖过程中的力学响应及变形特征，必须针对以下几个方面，作更深入的研究：

（1）地下管线种类繁多、埋设的年限不同其破损腐蚀程度也不一样，因此，为保证管线的安全使用，必须针对不同类型和状况的管线，制定不同的安全控制标准。此外，管线之间接口形式和刚度不同，其变形机理必定不同，然而，现在大多数研究将管线看作一轴向刚度均匀的等直管，因此，对于这一问题有待进一步的研究。

（2）各个地方土层性质不同，管土之间相互作用机理各有差异，管线在基坑开挖过程中的力学响应及变形特征也必定不同。目前的研究主要针对某一特定地层，具有较强的地域性和特殊性，因此，为揭示基坑开挖对邻近管线的影响机理，必须针对不同地层展开研究。

（3）地下水及基坑降水对基坑和地埋管线的影响很大，为真实的反映管线的应力和变形情况，必须考虑基坑、管线和渗流三者的耦合作用，这是今后研究的重点。

此外，地下管线据基坑的空间位置不同，其变形及破坏程度也不一样。为及时有效的监测管线在基坑开挖过程中的变形情况，实现信息化施工，须布置一张合理的监控网，这有待进一步的研究。

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参考文献

［１］张陈蓉,蔡建鹏,黄茂松.基坑开挖对邻近地埋管线的影响分析[J].岩土工程学报,2010(32)(增2):154-157.

［２］秦昊.地铁车站基坑开挖对邻近地下管线的影响研究[D].北京:中国地质大学,2010.

［３］O’Rourke T D.Buried pipeline response to tunneling ground movements [C]// Europe’82 conference.Switzerland: Basel 1982: 9-15.

［４］范德伟,李大勇,张学臣.地铁隧道开挖引起临近地下管线竖向位移及内力分析[J].工业建筑,2009,39(9):85-89.

［５］Takagi N, Shimamura K, Nishio N.Buried pipe response to adjacent ground movements associated with tunneling and excavations [C]//Ground Movements and Structures Proceedings of the 3rdInternational conference.London: Pentech Press, 1985:97-112.

［６］李志高.地下综合体深基坑施工环境影响及保护研究[D].上海:同济大学,2006.

［７］廖少明,刘建航.邻近建筑及设施的保护技术:基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997:856-877.

［８］Singhal.A.C.Behavior of jointed ductile iron pipelines[J].Journal of Transportation Engineering, 1984,110(2):235-250.

［９］J.E. Crofts, B.K. Menziest and A.I. Tarzi. Lateral displacement of shallow buried pipelines due to adjacent deep trench excavations[J]. Geotechnique, No.2, 161-179.

［１０］赵文,孙海霞,刘立健,等.地下管线变形与破坏的实验与监测研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2009,32(10):1485-1489.

［１１］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,2001,23(6):736-740.

［１２］李大勇,吕爱钟,曾庆军.内撑式基坑工程周围地下管线的性状分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(4):682-687.

［１３］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.

［１４］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.

［责任编辑：汤静］