地下管線在基坑開挖過程中變形規律的分析及關鍵影響因素研究

陳一鳴

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 101300）

1 引言

基坑開挖對地下管線產生的影響， 特別是管線的變形規律，是工程安全領域的一個重要研究課題。 地下管線的變形不僅關系到供水、供電、通信等城市基礎設施的正常運行，還涉及公共安全和大量的經濟投資[1-3]。 本文采用先進的數值模擬技術，結合地質力學和管線工程學原理，深入分析基坑開挖過程中地下管線的變形規律。 通過考慮更多關鍵影響因素，建立一個更加全面和精確的地下管線變形預測模型， 不僅有助于更準確地評估基坑開挖對地下管線的影響， 也為制定更有效的管線保護措施提供了理論依據。

2 基坑開挖工程中地下管線變形規律及關鍵影響因素的綜合研究

2.1 基坑開挖對地下管線變形影響的綜合研究

成都地鐵17 號線龍爪堰站位于地下2 層（局部3 層），島式站臺長約12 m。與7 號線通道換乘，位于中環路與龍騰西路交叉口東側。 共設3 個出入口、1 個連通口及1 個消防專用出入口。 其中，G 出入口在西北象限，F 出入口在東北象限，E 出入口在車站主體結構頂部。 還設置3 組風亭和1 個冷卻塔，大部分位于周邊高架橋底綠化帶或市政綠地內。 為提升換乘便利性，原7 號線B 出入口改造為純樓梯出入口。

考慮到復雜的地質條件， 項目采用了內支撐加圍護墻的方法，以應對深基坑施工中的挑戰。 圍護墻采用鋼筋混凝土墻結構，同時基坑采用多層水平支撐系統，確保在不同階段的開挖中保持穩定性和安全性。 此外，鑒于高地下水位，工程設計了一個復雜的地下水降低系統， 以防止基坑積水和降低對周邊地區的影響。 工程還包括一個全面的安全監測計劃，通過實時監控基坑周圍建筑和地下設施的傾斜、裂縫等，使用先進的傳感器和遠程監控技術， 確保能夠及時發現并處理潛在的安全問題。 整個工程分多個階段實施，包括基坑圍護墻的建設、逐步開挖、支撐安裝，并在整個過程中密切監控土層和水位條件以及對周邊建筑的影響。 項目深基坑的主要尺寸包括長度L、寬度B 以及最大開挖深度He，其周圍設有高度為Hw的支護結構。 緊鄰基坑，特別是在其右側，布置了一條關鍵的地下管線。 這條管線沿著基坑的長軸方向延伸，距離基坑邊緣dp。其特征包括埋設深度zp和管徑Dp。 此外，在地面上，正對著管線的特定區域承受了額外的超載p。這種超載的影響區域沿基坑側壁的垂直方向延伸d2，從側壁開始計算的距離為d。 這種地面負載和基坑挖掘作用下， 管線會在水平方向和豎直方向出現彎曲或位移。

2.2 地下管線變形的條件設定與模型設計

首先，為了應對地下管線和鄰近地層間的作用，問題被分解為水平和豎直兩個方向上的獨立分析， 不僅減輕了計算負擔，還保證了分析的精確性。 為此，引入了Pasternak 雙參數彈性地基梁模型，這一模型在土木工程領域有廣泛應用，特別適合于模擬管道在土壤中的彈性行為。 此模型的運用大幅提高了分析的效率和結果的準確性。

進一步的優化包括對地基土質的設定。 將地基土視為均質、各向同性的彈性材料，這一假設極大地簡化了分析過程。通過這種方式，不僅在理論上更易于處理，同時也確保了模型能夠準確反映現實情況。 此外，進一步優化了地表超載和基坑開挖的模型，使其不受既有管線的影響，也不改變管線與周圍土體的相互作用。 這一技術手段簡化了分析模型，使其更加專注于開挖活動本身對管線的直接影響。 管線的模型優化也是技術提升的一部分。 對于地下輸送系統，采用了分段元素和連接部分的簡化模型。 其中，輸送段采用簡化的梁模型，連接部分則以彈性鉸鏈形式表示， 這種方法專注于系統的宏觀彎曲特性，而非細節上的應力分布。 這一改進使得管線的行為分析更加精確和實用，特別是在處理彎曲和旋轉應力時。 最后，優化了管線兩端的邊界條件處理，設兩端的彎矩為零，同時忽略了管線的自重。 這一步驟簡化了計算模型，使得分析更加集中于外部因素如基坑開挖引起的土體變動所引發的管線行為。這種邊界條件的設置減少了分析的復雜性， 同時依然保留了對實際情況的高度適應性。

3 基坑開挖影響下的地下管線變形理論預測與實測對比分析

為了驗證研究提出的理論預測方法的有效性， 對成都地鐵17 號線龍爪堰站工程設置了98 個監測點， 分別是B 出入口涉及14 個地表點、14 個橋墩沉降觀測點、5 個樁頂沉降點、5 個樁頂水平位移點、5 根樁體水平位移、3 個水位觀測點和27 個建（構）筑物沉降觀測點；G 出入口有9 個地表點、4 個橋墩沉降觀測點、3 個樁頂沉降點、3 個樁頂水平位移點、4 根樁體水平位移和2 組混凝土支撐應力。 根據監測數據，研究分析了地面超載對鄰近連續管道由于基坑挖掘而產生的位移和彎矩效應。 旨在通過這種方式證實理論預測方法在實際應用中的準確性和可靠性。 不同條件下地下管線的豎向和水平位移分布比較如圖1 所示。

圖1 不同條件下地下管線的豎向和水平位移分布比較

圖1a 為100 kPa 地表超載條件下地下管線的豎向位移分布。 根據理論預測和三維有限元分析，管線在中部區域出現最大豎向位移，且該位移朝兩端逐漸降低至零。 理論預測得出的沉降范圍在7.9～8.8 mm， 而有限元方法給出了6.9～7.6 mm的結果，兩者之間的最大差異為1.1 mm，仍在工程應用的可接受精度范圍內。 進一步對比地表超載存在與否的情形，可以看到兩種情況下管線沉降的縱向分布相似， 但地表超載的存在使得靠近管線中部40 m 區域內的沉降量顯著增加。 理論預測和數值模擬得出的沉降增量分別約為2.7～3.1 mm 和1.05～1.2 mm。

圖1b 中，管道在各種環境工況下沿縱軸的水平位移分布與圖1a 所展示的豎直位移分布表現出了一定程度的相似性。在管道中心附近約12 m 區域內，水平位移顯著，超出此范圍后迅速降低至幾乎不可察。 這種顯著的水平位移區域大約延伸20 m，僅為豎直位移顯著區域的半徑，并且其峰值也顯著低于豎直位移的最大值。 在100 kPa 地表附加負載情況下，理論分析與有限元模擬預測的最大水平位移分別約為-4.6 mm和-4.2 mm，而豎直位移的峰值則約為8.8 mm 和7.6 mm。 在無附加負載條件下，這些方法分別預測出的最大水平位移為-1.1 mm 和-0.95 mm。表明，在100 kPa 的地表附加負載下，水平和豎直位移的最大增幅分別約為3.2 倍和0.55 倍， 進一步揭示了地表負載對水平位移影響的顯著性。 不同條件下管線豎向和水平彎矩的縱向分布比較如圖2 所示。

圖2 不同條件下管線豎向和水平彎矩的縱向分布比較

由圖2 可知研究中采用的理論模型在彎矩量值的估計時，理論預測相較于有限元分析結果偏高。 具體來說，在地表額外負載作用下， 理論模型對豎直和水平彎矩的最大估計值分別為21.10 kN·m 和10.39 kN·m，而有限元分析給出的對應值分別為17.94 kN·m 和8.52 kN·m， 理論模型在這兩個方向的估計值分別高出17.61%和21.95%。 在無額外負載條件下，理論與數值分析得到的豎直最大彎矩分別為17.19 kN·m 和16.01 kN·m， 水平最大彎矩分別為7.47 kN·m 和6.28 kN·m，顯示理論模型的估計值在豎直和水平方向上分別高出7.37%和18.95%。 進一步的分析表明，100 kPa 的地表額外負載雖未改變彎矩分布的基本形態，卻顯著提高了彎矩的極值。 理論模型與有限元分析表明，豎向彎矩峰值增幅達到21.21%，水平彎矩峰值增幅為37.82%。 結果說明，地表額外負載對管線的水平彎矩影響顯著大于豎直彎矩。

4 結論

研究旨在探究地表超載條件下地下管線的豎向和水平位移、彎矩的分布規律以及地表超載對這些參數的影響。 研究結果顯示，在地表超載條件下，管線的豎向位移和水平位移都顯著增加。豎向位移增大了約2.6 倍，最大沉降約為3.1 mm，而水平位移增大了約4.4 倍，最大水平位移約為-4.2 mm。 此外，豎向和水平彎矩在地表超載情況下也有顯著增加，豎向彎矩峰值增幅達到21.21%，水平彎矩峰值增幅為37.82%。 研究的結果表明地表超載對管線的豎向和水平位移、 彎矩產生明顯影響，尤其是水平位移和水平彎矩的增幅更為顯著。未來還需要考慮其他潛在的影響因素，以全面評估不同方案的優劣。