深基坑对周围地下管线变形的影响和控制研究

朱惠良（中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队，浙江　杭州　310022）



深基坑对周围地下管线变形的影响和控制研究

朱惠良
（中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队，浙江杭州310022）

摘要：通过对深基坑变形问题的分析，探讨了影响深基坑周围管线变形的主要因素，并从深基坑的设计、施工两方面，提出了控制深基坑周围管线变形的措施，保证了深基坑施工过程中周围环境的安全。

关键词：深基坑，地下管线，变形，位移

1　概述

随着经济水平的提升以及生产力的高速发展，高层建筑层出不穷，深基坑工程也日益增多，基坑向更大更深发展也是一种社会经济发展的必然趋势，深基坑工程也变成了城市发展过程中的一个重要组成部分，然而，随着深基坑工程不断的大量涌现，迅速增多的深基坑带来了诸多普遍的工程问题，如降水、开挖等引起的周围建筑物和相应的地下管线等设施的变形和破坏问题，同时由于现在城市建设的密度越来越大，深基坑周围的环境也越发复杂，在保证基坑自身结构体安全的前提下，如何保证周围建筑物和周围管线的安全变得更加重要［1］。近些年，由深基坑工程开挖引起的工程事故层出不穷，路面开裂、地下管线破裂等工程事故不断出现，带来了巨大的经济损失并且造成了不良的社会影响，2005年北京地铁某明挖车站基坑发生坍塌，坍塌面积约2 400 m2，事故造成基坑周围管线受损严重，其中一根直径600 mm的自来水管断裂，自来水大量注入基坑内，对基坑自身安全和周围环境都造成了严重破坏；2008年杭州一号线地铁施工现场发生塌陷事故，风情大道坍塌形成了一个长75 m、宽21 m、深15.5 m的深坑，附近的河流决堤，河水倒灌，风情大道中断，附近民房倾斜破坏，地面下管线受到严重破坏。因此，重视深基坑开挖对周围地下管线等的影响程度的研究，对此类工程可能引起的工程事故提前预防，高度重视由此引起的各种安全隐患，并通过科学的预测和经验判断出基坑施工可能引起地下管线变形及位移的程度，具有重要且深远的意义。

2　影响深基坑周围管线变形的主要因素

深基坑开挖会导致影响范围内土体的应力发生改变，它会打破原有的力学平衡，引起基坑周围土体的移动和变形，而这个移动和变形与周围邻近的地下管线的安全是息息相关的，因为基坑开挖引起的基坑周围土体产生变形移动也带动了地下管线产生变形和移动。深基坑周围地下管线的变形，归根结底是由基坑开挖变形所致。为此，国内外学者分别从土层变化、基坑的水平位移、地表的沉降变化、管线刚度、下卧土层性质、管线和周围土体弹性模量的比值以及管线管径的大小等多方面分析了基坑开挖对管线变形的影响因素：

1）深基坑开挖会引起周围土层的变形和移动，这个变形和移动不是单向的，而是包括垂直和水平两个方向，但两个方向的变形和移动量并不相同，对地下管线等工程设施的影响也不相同，通常基坑开挖产生的土层水平方向的变形和移动量要大于垂直方向的影响［2］，因此，通过分析基坑周围土层水平位移和垂直沉降的分布特性，可以预测出深基坑开挖的影响范围，进而可以判断基坑开挖对周围管线的影响程度。2）从地下连续墙基坑开挖过程中土体沉降沿基坑纵向的分布规律可以看到，地下管线埋设在墙后约1倍开挖深度范围内的，受到基坑开挖的影响会很大，此区域内尤其在端头的地下管线最易受到这种变形影响而导致破坏［3］。3）深基坑周围地下管线的变形与其离基坑距离、管道埋设深度、所用的管材的刚度、埋设土层的性质等密切相关。在其他条件都一样的情况下，地下管线的自身刚度越大，其抵抗土体变形的能力就越强，但也会受到较大的反压力，容易断裂或爆裂；同时地下管线的变形和位移会随着管线埋设的深浅有不同的影响，埋设越大变形的影响也会越小；管线埋设的下卧层土层的好坏对管线的变形影响较大，下卧层土质力学性质好的强度高，可以大幅度的减少地下管线的位移［3，4］。4）基坑周围管线的变形和管线本身的大小和刚度相关，管径大小对地下管线的变形影响起到一定的约束作用，当地下管线的管径小于400 mm时，在基坑开挖期间，地下管线的变形和移动基本与下卧土体一起变形和移动，而当管径大于400 mm时，就不是简单的地下管线随土层变化而变化，而应考虑地下管线和周围土体的相互作用。5）在基坑周围土体的总位移中大约有50%是由基坑支护的施工引起，基坑周围土体的变形和沉降量与围护设计的挡墙性质，支撑的布置，支撑形式和刚度的选择密切相关，同时也和开挖的方式、强度以及施工挖土步距等相关。

3　控制管线变形的措施

要想控制基坑周围管线的变形，减少基坑开挖对其产生的危害，必须从设计和施工两个方面着手，首先，要在设计阶段就采用变形控制的设计概念，严格控制设计结构的计算变形量，保证基坑围护结构的变形在不影响周围管线安全的范围内。其次，在施工过程中更要严格按照既定的施工方案，特别是要控制好挖土卸荷的步距和单次的卸荷强度。

3.1基坑设计采用变形控制的设计概念

在深基坑设计中，特别是结构复杂带支撑的深基坑设计，应重点考虑对围护体变形产生影响的几个主要因素，其中包括围护墙体的刚度，围护墙体的入土深度，支撑的刚度和所设位置，基坑整体平面形状和尺寸，基坑底面以下土层的力学特性等五个方面：

1）控制深基坑支护结构的墙体刚度。深基坑围护墙体的刚度直接影响整个基坑的变形总量，围护墙体的刚度可通过对围护结构中桩间距的调整来实现，也可通过对桩径的增减来完成，同时增减围护结构中止水帷幕或连续墙体的厚度都可以实现对围护墙体刚度的控制，但这个刚度控制在设计当中要综合考虑，更要考虑工程投入的经济合理性，在确保能够满足变形控制的前提下，尽量要使用最经济的设计方案。

2）控制深基坑围护结构墙体入土深度。深基坑围护结构墙体的高度是由结构体本身决定的，但因为这个围护结构的墙体是放置在土体环境中的，因此围护墙体入土深度的多少对基坑的整体变形和稳定性也至关重要，按照变形控制设计原则，在其他条件不变的情况下，根据具体工程的土层情况，选择合适的插入比是变形控制的又一主要方面，对基坑变形控制要求较高的软土地层的深基坑插入比要适当选择大的，对土层条件好或变形控制不是很高的基坑可以适当选择相对经济的插入比。

3）控制基坑围护支撑的刚度。对于有水平支撑的围护结构，水平支撑的自身刚度和设置的位置都会影响围护结构整体的变形程度，支撑刚度可以通过支撑截面大小的变化来控制，围护结构的整体刚度会随着支撑截面的增大而增大，围护墙体的最大水平位移变化率也会减小，但水平支撑布置的竖向位置和其自身刚度对围护墙体的变形速率的影响不是单一的，水平支撑对墙体变形明显影响区域可能在墙顶，也可能在基坑底面附近，具体的哪种设计组合是设计工程需要的，设计过程中要根据周围管线布设情况和要求的最大变形量综合考虑选取。

4）控制基坑平面尺寸对整个围护结构变形的影响。基坑平面尺寸对围护墙体最大水平位移的影响和基坑的长宽比密切相关，当基坑长宽比达到1.25时基坑围护的变形会达到最小，因此在可能的条件下，尽量在设计中控制基坑的长宽比，对于不能改变长宽比的基坑，也可通过水平支撑的合理设置来改变长宽比对基坑变形的不利影响。

5）考虑基坑底面下土层的力学性质对变形的影响。由于不同的基坑所处的地理位置不同，所在土层也不尽相同，特别是土层的抗剪强度等力学指标会有区别。但实际上，抗剪强度等力学指标直接影响围护墙体和开挖影响区域内土体的位移情况，当土体抗剪强度增大时，围护墙体的位移会随之减小。若基坑底面所处土层抗剪强度等力学指标未达到设计要求，应该在设计时通过局部加固等措施提高土体的整体力学性质，从而满足基坑变形控制的需要。

3.2施工过程中控制基坑变形

施工过程中的质量控制、施工工序的遵守、各工序的协调管理、信息化施工的执行情况、施工场地违规堆载等都会对深基坑的实际变形有很大影响。在实际开挖施工过程中，控制基坑变形不超过设计的变形的要求，就必须注重如下几个方面的问题：

1）施工过程一定要遵守已经制定好的施工挖土方案，按照规定的挖土步距和卸荷强度，进行基坑开挖，挖土的步距和卸荷强度一定要通过基坑设计的复核，从而保证施工的卸荷强度和设计计算相一致，从而控制开挖过程中的基坑围护结构和周围土体的变形。

2）各施工工序要协调管理安排，在基坑挖土达到施工要求的工作面后，后续工作马上连续开展，不让土体长时间处于卸荷暴露状态，尽快完成相关支撑结构和地下室结构体的施工，避免因为后续工作没跟上而造成基坑暴露时间过长产生附加变形。

3）基坑开挖和地下室结构施工过程中，要运用信息化管理施工，重视基坑开挖过程中的变形监测工作，及时发现变形的异常情况和可能存在的工程风险，通过对后续施工方案的调整和技术措施的选用，把工程风险和对周围环境的影响降到最低。

4）在基坑开挖和地下室结构体施工的过程中，严格控制基坑周围的不合理堆载，避免在基坑周围堆载过大引起附加基坑变形，形成基坑围护的安全隐患。

4　结语

影响深基坑周围管线变形的主要因素很多，深基坑的变形和附带的周围土体的变形情况直接影响周围管线的变形和位移，而决定基坑变形的程度主要由基坑的设计和施工两方面控制，首先设计应该采用变形控制的设计概念，从设计本身控制住基坑的变形量，然后在施工过程中严格控制施工过程，避免不合理施工造成的基坑开挖变形加大和工程安全隐患的出现，只有控制了这两个方面，基坑周围管线的变形才能在允许的范围内，管线的安全才能够得到保障。

参考文献：

［1］赵锡宏，李蓓，杨国祥.大型超深基坑工程实践与理论［M］.北京：人民交通出版社，2005：37-48.

［2］张鸿儒，侯学渊，夏明翅.深基坑开挖对周围工程设施的影响预测［J］.北方交通大学学报，1996，20（2）：2-3.

［3］李佳川，夏明耀.地下连续墙深基坑开挖与地下管线纵向保护［J］.同济大学学报，1995，23（10）：499-504.

［4］李大勇，龚晓南.软土地基深基坑工程邻近柔性接口地下管线的性状分析［J］.土木工程学报，2003，36（2）：77-80.

［5］陈忠汉，黄书秩，程丽萍.深基坑工程［M］.北京：机械工业出版社，2003：60-133.

Study on the influence and control of deep foundation pit on the deformation of surrounding underground pipelines

Zhu Huiliang
（Zhejiang General Office of China Building Materials Industry Geological Prospecting Center，Hangzhou 310022，China）

Abstract：Through the analysis on deep foundation pit deformation problem，this paper discussed the main factors influence of deep foundation pit surrounding pipeline deformation，and from the deep foundation pit design，construction two aspects，put forward the measures control of deep foundation pit surrounding pipeline deformation，ensured the safety surrounding environment in deep foundation pit construction process.

Key words：deep foundation pit，underground pipeline，deformation，displacement

中图分类号：TU476

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0073-03

收稿日期：2015-12-15

作者简介：朱惠良（1964-），男，高级工程师