深基坑开挖对地下管道变形影响因素的分析与研究

孟小虎++彭功勋++魏立新等

摘 要：深基坑开挖引起的地表沉降和地层移动对于周围的地下管线带来了不利影响。关于这方面的理论或试验研究的内容多以考虑个别因素为主，比如说偏重于损伤规律分析以及试验验证，缺乏多因素下地下管线变形损伤的影响因子综合评判分析研究。该文采用正交试验法科学的综合考虑了基坑开挖对地下管道变形所涉及的管线埋深、管线与基坑的水平距离、地下水深度、管线材质和管线直径，从而可以更加准确有效的评估基坑开挖对管道变形的影响。

关键词：深基坑 正交试验法 地下管道

中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0099-03

城市地下管线是城市的生命线工程。在人口密集的大城市，深基坑开挖引起的地表沉降和地层移动对于周围的地下管线带来了不利影响。关于这方面的理论或试验研究的内容多以考虑个别因素为主，偏重于损伤规律分析以及试验验证，缺乏多因素下地下管线变形损伤的影响因子综合评判分析研究，因此，亟需针对地下管网建立起多因素耦合作用下的变形损伤评估体系，综合考虑各种因素，以确保城市地下管网运行的可靠性和有效性，避免出现极端不利的危害性后果，这对于维护城市的正常社会秩序具有很重要的现实意义。

该文深就深基坑开挖对周围地埋管线的影响及安全问题进行了较为系统的分析研究。采用有限差分软件FLAC3D，考虑基坑、周边土及管线的相互作用，建立相应的分析模型，对深基坑开挖对地下管线的影响进行了数值模拟；根据正交试验法的原则，根据数值计算所得数据，得到各影响因素的权重因子。

1 正交试验设计

1.1 正交试验设计介绍

正交试验设计（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

1.2 确定试验因素、水平和指标，列出因素水平表

影响管线损伤的因素，不仅有管线的埋深和地面堆载等外部因素，还有管线材质和管线接头等管线本身的因素。该文考虑管线埋深、管线与基坑的水平距离和地下水三个外部因素以及管线材质和管线直径二个管线自身的因素对管线的损害程度的影响。

2 模型介绍

本次数值计算取的原始尺寸为63.8 m ×63.8 m×19.6 m，深度为12 m，根据《建筑地基基础设计规范》的规定，基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～4倍，影响深度约为开挖深度的2～4倍。根据实际情况，本次计算影响宽度和深度分别取4倍、3倍的开挖深度，即模型的尺寸为115 m×111 m×48 m。

2.1 模型假设

为了便于分析问题，本文对有限元模型作了如下假定：

（1）地下管道材料按均质线弹性材料考虑，且不考虑管道接头的影响，管道等直径、等壁厚。由于大部分地下管道平行于道路铺设，建筑物也是沿道道路建设，故仅考虑了地下管线平行于基坑边的情况。

（2）土体为弹塑性介质，本构模型采用摩尔——库伦模型。

（3）假定管道与周围土体在变形前后及变形过程中两者都紧密接触，管道与土体没有相对滑动或脱离。这种假定在实际工程中是可能存在的，即土体的刚度相对管道来说不是很小。然而，对于处在滑坡中的地下管线，由于土体位移较大，而地下管线的刚度相对于土体大得多，是可能产生土体与管道分离现象的，在这种情况下，一般可以采用在两者之间加上接触单元来模拟。然而，基坑工程计算分析过程中不允许产生像滑坡中土体位移那样大的现象。可认为地下管线与土体是紧密接触的，不考虑管土的分离现象。

3 实验数据与数值分析比较

3.1 数据处理

（1）以应力为控制指标确定因素的主次顺序。

极差分析法简称R法，它包括计算和判断两个步骤。

为第j列因素m水平所对应的应力指标和，为的平均值。由的大小可以判断j因素的优水平和各因素的优水平组合，即最优组合。

为第j列因素的极差，即j列因素各水平下的指标值的最大值与最小值之差。

反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要。于是依据极差的大小，就可以判断因素的主次。

4 结语

该文采用正交试验法，综合考虑了基坑开挖对地下管道变形所涉及的管线埋深、管线与基坑的水平距离、地下水深度、管线材质和管线直径等因素，并对各种因素的权重因子进行了量化。

在以应力作为评判标准时，因素C（管道埋深）是影响试验指标的主要因素，然后依次是A（地下水）、E（管道材质）、B（管道尺寸）、D（管道距基坑位置）因素，其权重比例分别为21.4%、20.3%、19.6%、19.4%、19.3%。在以位移为评判标准时，因素A（地下水）是影响试验指标的主要因素，然后依次是D（管道距基坑位置）、B（管道尺寸）、C（管道埋深）、E（管道材质）因素，其权重比例分别为25.4%、18.1%、18%、22.5%、16.1%。

基坑开挖对地下管道变形的影响是一个复杂的过程，在施工时，要综合考虑各种因素，抓住主要因素，确保工程安全。

参考文献

[1] 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].南京航空航天大学，2008.

[2] 蔡建鹏，黄茂松，钱建固，等.基坑开挖对邻近地下管线影响分析的DCFEM法[J].地下空间与工程学报， 2010（1）：120-124.

[3] 吕淑然，刘红岩，袁小平.基坑开挖对临近地下管线运行状态影响分析[J].工业建筑，2010（S1）：686-689.

[4] 张宇.悬臂式基坑开挖对邻近地下管线的影响分析[J].天津城市建设学院学报，2010（4）：259-263.

[5] 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，2011（S1）：771-775.

[6] 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.

[7] 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（5）：1166-1172.endprint

摘 要：深基坑开挖引起的地表沉降和地层移动对于周围的地下管线带来了不利影响。关于这方面的理论或试验研究的内容多以考虑个别因素为主，比如说偏重于损伤规律分析以及试验验证，缺乏多因素下地下管线变形损伤的影响因子综合评判分析研究。该文采用正交试验法科学的综合考虑了基坑开挖对地下管道变形所涉及的管线埋深、管线与基坑的水平距离、地下水深度、管线材质和管线直径，从而可以更加准确有效的评估基坑开挖对管道变形的影响。

关键词：深基坑 正交试验法 地下管道

中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0099-03

城市地下管线是城市的生命线工程。在人口密集的大城市，深基坑开挖引起的地表沉降和地层移动对于周围的地下管线带来了不利影响。关于这方面的理论或试验研究的内容多以考虑个别因素为主，偏重于损伤规律分析以及试验验证，缺乏多因素下地下管线变形损伤的影响因子综合评判分析研究，因此，亟需针对地下管网建立起多因素耦合作用下的变形损伤评估体系，综合考虑各种因素，以确保城市地下管网运行的可靠性和有效性，避免出现极端不利的危害性后果，这对于维护城市的正常社会秩序具有很重要的现实意义。

该文深就深基坑开挖对周围地埋管线的影响及安全问题进行了较为系统的分析研究。采用有限差分软件FLAC3D，考虑基坑、周边土及管线的相互作用，建立相应的分析模型，对深基坑开挖对地下管线的影响进行了数值模拟；根据正交试验法的原则，根据数值计算所得数据，得到各影响因素的权重因子。

1 正交试验设计

1.1 正交试验设计介绍

正交试验设计（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

1.2 确定试验因素、水平和指标，列出因素水平表

影响管线损伤的因素，不仅有管线的埋深和地面堆载等外部因素，还有管线材质和管线接头等管线本身的因素。该文考虑管线埋深、管线与基坑的水平距离和地下水三个外部因素以及管线材质和管线直径二个管线自身的因素对管线的损害程度的影响。

2 模型介绍

本次数值计算取的原始尺寸为63.8 m ×63.8 m×19.6 m，深度为12 m，根据《建筑地基基础设计规范》的规定，基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～4倍，影响深度约为开挖深度的2～4倍。根据实际情况，本次计算影响宽度和深度分别取4倍、3倍的开挖深度，即模型的尺寸为115 m×111 m×48 m。

2.1 模型假设

为了便于分析问题，本文对有限元模型作了如下假定：

（1）地下管道材料按均质线弹性材料考虑，且不考虑管道接头的影响，管道等直径、等壁厚。由于大部分地下管道平行于道路铺设，建筑物也是沿道道路建设，故仅考虑了地下管线平行于基坑边的情况。

（2）土体为弹塑性介质，本构模型采用摩尔——库伦模型。

（3）假定管道与周围土体在变形前后及变形过程中两者都紧密接触，管道与土体没有相对滑动或脱离。这种假定在实际工程中是可能存在的，即土体的刚度相对管道来说不是很小。然而，对于处在滑坡中的地下管线，由于土体位移较大，而地下管线的刚度相对于土体大得多，是可能产生土体与管道分离现象的，在这种情况下，一般可以采用在两者之间加上接触单元来模拟。然而，基坑工程计算分析过程中不允许产生像滑坡中土体位移那样大的现象。可认为地下管线与土体是紧密接触的，不考虑管土的分离现象。

3 实验数据与数值分析比较

3.1 数据处理

（1）以应力为控制指标确定因素的主次顺序。

极差分析法简称R法，它包括计算和判断两个步骤。

为第j列因素m水平所对应的应力指标和，为的平均值。由的大小可以判断j因素的优水平和各因素的优水平组合，即最优组合。

为第j列因素的极差，即j列因素各水平下的指标值的最大值与最小值之差。

反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要。于是依据极差的大小，就可以判断因素的主次。

4 结语

该文采用正交试验法，综合考虑了基坑开挖对地下管道变形所涉及的管线埋深、管线与基坑的水平距离、地下水深度、管线材质和管线直径等因素，并对各种因素的权重因子进行了量化。

在以应力作为评判标准时，因素C（管道埋深）是影响试验指标的主要因素，然后依次是A（地下水）、E（管道材质）、B（管道尺寸）、D（管道距基坑位置）因素，其权重比例分别为21.4%、20.3%、19.6%、19.4%、19.3%。在以位移为评判标准时，因素A（地下水）是影响试验指标的主要因素，然后依次是D（管道距基坑位置）、B（管道尺寸）、C（管道埋深）、E（管道材质）因素，其权重比例分别为25.4%、18.1%、18%、22.5%、16.1%。

基坑开挖对地下管道变形的影响是一个复杂的过程，在施工时，要综合考虑各种因素，抓住主要因素，确保工程安全。

参考文献

[1] 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].南京航空航天大学，2008.

[2] 蔡建鹏，黄茂松，钱建固，等.基坑开挖对邻近地下管线影响分析的DCFEM法[J].地下空间与工程学报， 2010（1）：120-124.

[3] 吕淑然，刘红岩，袁小平.基坑开挖对临近地下管线运行状态影响分析[J].工业建筑，2010（S1）：686-689.

[4] 张宇.悬臂式基坑开挖对邻近地下管线的影响分析[J].天津城市建设学院学报，2010（4）：259-263.

[5] 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，2011（S1）：771-775.

[6] 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.

[7] 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（5）：1166-1172.endprint

摘 要：深基坑开挖引起的地表沉降和地层移动对于周围的地下管线带来了不利影响。关于这方面的理论或试验研究的内容多以考虑个别因素为主，比如说偏重于损伤规律分析以及试验验证，缺乏多因素下地下管线变形损伤的影响因子综合评判分析研究。该文采用正交试验法科学的综合考虑了基坑开挖对地下管道变形所涉及的管线埋深、管线与基坑的水平距离、地下水深度、管线材质和管线直径，从而可以更加准确有效的评估基坑开挖对管道变形的影响。

关键词：深基坑 正交试验法 地下管道

中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0099-03

城市地下管线是城市的生命线工程。在人口密集的大城市，深基坑开挖引起的地表沉降和地层移动对于周围的地下管线带来了不利影响。关于这方面的理论或试验研究的内容多以考虑个别因素为主，偏重于损伤规律分析以及试验验证，缺乏多因素下地下管线变形损伤的影响因子综合评判分析研究，因此，亟需针对地下管网建立起多因素耦合作用下的变形损伤评估体系，综合考虑各种因素，以确保城市地下管网运行的可靠性和有效性，避免出现极端不利的危害性后果，这对于维护城市的正常社会秩序具有很重要的现实意义。

该文深就深基坑开挖对周围地埋管线的影响及安全问题进行了较为系统的分析研究。采用有限差分软件FLAC3D，考虑基坑、周边土及管线的相互作用，建立相应的分析模型，对深基坑开挖对地下管线的影响进行了数值模拟；根据正交试验法的原则，根据数值计算所得数据，得到各影响因素的权重因子。

1 正交试验设计

1.1 正交试验设计介绍

正交试验设计（Orthogonal experimental design）是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散、齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

1.2 确定试验因素、水平和指标，列出因素水平表

影响管线损伤的因素，不仅有管线的埋深和地面堆载等外部因素，还有管线材质和管线接头等管线本身的因素。该文考虑管线埋深、管线与基坑的水平距离和地下水三个外部因素以及管线材质和管线直径二个管线自身的因素对管线的损害程度的影响。

2 模型介绍

本次数值计算取的原始尺寸为63.8 m ×63.8 m×19.6 m，深度为12 m，根据《建筑地基基础设计规范》的规定，基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～4倍，影响深度约为开挖深度的2～4倍。根据实际情况，本次计算影响宽度和深度分别取4倍、3倍的开挖深度，即模型的尺寸为115 m×111 m×48 m。

2.1 模型假设

为了便于分析问题，本文对有限元模型作了如下假定：

（1）地下管道材料按均质线弹性材料考虑，且不考虑管道接头的影响，管道等直径、等壁厚。由于大部分地下管道平行于道路铺设，建筑物也是沿道道路建设，故仅考虑了地下管线平行于基坑边的情况。

（2）土体为弹塑性介质，本构模型采用摩尔——库伦模型。

（3）假定管道与周围土体在变形前后及变形过程中两者都紧密接触，管道与土体没有相对滑动或脱离。这种假定在实际工程中是可能存在的，即土体的刚度相对管道来说不是很小。然而，对于处在滑坡中的地下管线，由于土体位移较大，而地下管线的刚度相对于土体大得多，是可能产生土体与管道分离现象的，在这种情况下，一般可以采用在两者之间加上接触单元来模拟。然而，基坑工程计算分析过程中不允许产生像滑坡中土体位移那样大的现象。可认为地下管线与土体是紧密接触的，不考虑管土的分离现象。

3 实验数据与数值分析比较

3.1 数据处理

（1）以应力为控制指标确定因素的主次顺序。

极差分析法简称R法，它包括计算和判断两个步骤。

为第j列因素m水平所对应的应力指标和，为的平均值。由的大小可以判断j因素的优水平和各因素的优水平组合，即最优组合。

为第j列因素的极差，即j列因素各水平下的指标值的最大值与最小值之差。

反映了第j列因素的水平变动时，试验指标的变动幅度。越大，说明该因素对试验指标的影响越大，因此也就越重要。于是依据极差的大小，就可以判断因素的主次。

4 结语

该文采用正交试验法，综合考虑了基坑开挖对地下管道变形所涉及的管线埋深、管线与基坑的水平距离、地下水深度、管线材质和管线直径等因素，并对各种因素的权重因子进行了量化。

在以应力作为评判标准时，因素C（管道埋深）是影响试验指标的主要因素，然后依次是A（地下水）、E（管道材质）、B（管道尺寸）、D（管道距基坑位置）因素，其权重比例分别为21.4%、20.3%、19.6%、19.4%、19.3%。在以位移为评判标准时，因素A（地下水）是影响试验指标的主要因素，然后依次是D（管道距基坑位置）、B（管道尺寸）、C（管道埋深）、E（管道材质）因素，其权重比例分别为25.4%、18.1%、18%、22.5%、16.1%。

基坑开挖对地下管道变形的影响是一个复杂的过程，在施工时，要综合考虑各种因素，抓住主要因素，确保工程安全。

参考文献

[1] 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].南京航空航天大学，2008.

[2] 蔡建鹏，黄茂松，钱建固，等.基坑开挖对邻近地下管线影响分析的DCFEM法[J].地下空间与工程学报， 2010（1）：120-124.

[3] 吕淑然，刘红岩，袁小平.基坑开挖对临近地下管线运行状态影响分析[J].工业建筑，2010（S1）：686-689.

[4] 张宇.悬臂式基坑开挖对邻近地下管线的影响分析[J].天津城市建设学院学报，2010（4）：259-263.

[5] 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，2011（S1）：771-775.

[6] 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.

[7] 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（5）：1166-1172.endprint