地下管线在基坑开挖过程中变形规律的分析及关键影响因素研究

陈一鸣

（中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300）

1 引言

基坑开挖对地下管线产生的影响， 特别是管线的变形规律，是工程安全领域的一个重要研究课题。 地下管线的变形不仅关系到供水、供电、通信等城市基础设施的正常运行，还涉及公共安全和大量的经济投资[1-3]。 本文采用先进的数值模拟技术，结合地质力学和管线工程学原理，深入分析基坑开挖过程中地下管线的变形规律。 通过考虑更多关键影响因素，建立一个更加全面和精确的地下管线变形预测模型， 不仅有助于更准确地评估基坑开挖对地下管线的影响， 也为制定更有效的管线保护措施提供了理论依据。

2 基坑开挖工程中地下管线变形规律及关键影响因素的综合研究

2.1 基坑开挖对地下管线变形影响的综合研究

成都地铁17 号线龙爪堰站位于地下2 层（局部3 层），岛式站台长约12 m。与7 号线通道换乘，位于中环路与龙腾西路交叉口东侧。 共设3 个出入口、1 个连通口及1 个消防专用出入口。 其中，G 出入口在西北象限，F 出入口在东北象限，E 出入口在车站主体结构顶部。 还设置3 组风亭和1 个冷却塔，大部分位于周边高架桥底绿化带或市政绿地内。 为提升换乘便利性，原7 号线B 出入口改造为纯楼梯出入口。

考虑到复杂的地质条件， 项目采用了内支撑加围护墙的方法，以应对深基坑施工中的挑战。 围护墙采用钢筋混凝土墙结构，同时基坑采用多层水平支撑系统，确保在不同阶段的开挖中保持稳定性和安全性。 此外，鉴于高地下水位，工程设计了一个复杂的地下水降低系统， 以防止基坑积水和降低对周边地区的影响。 工程还包括一个全面的安全监测计划，通过实时监控基坑周围建筑和地下设施的倾斜、裂缝等，使用先进的传感器和远程监控技术， 确保能够及时发现并处理潜在的安全问题。 整个工程分多个阶段实施，包括基坑围护墙的建设、逐步开挖、支撑安装，并在整个过程中密切监控土层和水位条件以及对周边建筑的影响。 项目深基坑的主要尺寸包括长度L、宽度B 以及最大开挖深度He，其周围设有高度为Hw的支护结构。 紧邻基坑，特别是在其右侧，布置了一条关键的地下管线。 这条管线沿着基坑的长轴方向延伸，距离基坑边缘dp。其特征包括埋设深度zp和管径Dp。 此外，在地面上，正对着管线的特定区域承受了额外的超载p。这种超载的影响区域沿基坑侧壁的垂直方向延伸d2，从侧壁开始计算的距离为d。 这种地面负载和基坑挖掘作用下， 管线会在水平方向和竖直方向出现弯曲或位移。

2.2 地下管线变形的条件设定与模型设计

首先，为了应对地下管线和邻近地层间的作用，问题被分解为水平和竖直两个方向上的独立分析， 不仅减轻了计算负担，还保证了分析的精确性。 为此，引入了Pasternak 双参数弹性地基梁模型，这一模型在土木工程领域有广泛应用，特别适合于模拟管道在土壤中的弹性行为。 此模型的运用大幅提高了分析的效率和结果的准确性。

进一步的优化包括对地基土质的设定。 将地基土视为均质、各向同性的弹性材料，这一假设极大地简化了分析过程。通过这种方式，不仅在理论上更易于处理，同时也确保了模型能够准确反映现实情况。 此外，进一步优化了地表超载和基坑开挖的模型，使其不受既有管线的影响，也不改变管线与周围土体的相互作用。 这一技术手段简化了分析模型，使其更加专注于开挖活动本身对管线的直接影响。 管线的模型优化也是技术提升的一部分。 对于地下输送系统，采用了分段元素和连接部分的简化模型。 其中，输送段采用简化的梁模型，连接部分则以弹性铰链形式表示， 这种方法专注于系统的宏观弯曲特性，而非细节上的应力分布。 这一改进使得管线的行为分析更加精确和实用，特别是在处理弯曲和旋转应力时。 最后，优化了管线两端的边界条件处理，设两端的弯矩为零，同时忽略了管线的自重。 这一步骤简化了计算模型，使得分析更加集中于外部因素如基坑开挖引起的土体变动所引发的管线行为。这种边界条件的设置减少了分析的复杂性， 同时依然保留了对实际情况的高度适应性。

3 基坑开挖影响下的地下管线变形理论预测与实测对比分析

为了验证研究提出的理论预测方法的有效性， 对成都地铁17 号线龙爪堰站工程设置了98 个监测点， 分别是B 出入口涉及14 个地表点、14 个桥墩沉降观测点、5 个桩顶沉降点、5 个桩顶水平位移点、5 根桩体水平位移、3 个水位观测点和27 个建（构）筑物沉降观测点；G 出入口有9 个地表点、4 个桥墩沉降观测点、3 个桩顶沉降点、3 个桩顶水平位移点、4 根桩体水平位移和2 组混凝土支撑应力。 根据监测数据，研究分析了地面超载对邻近连续管道由于基坑挖掘而产生的位移和弯矩效应。 旨在通过这种方式证实理论预测方法在实际应用中的准确性和可靠性。 不同条件下地下管线的竖向和水平位移分布比较如图1 所示。

图1 不同条件下地下管线的竖向和水平位移分布比较

图1a 为100 kPa 地表超载条件下地下管线的竖向位移分布。 根据理论预测和三维有限元分析，管线在中部区域出现最大竖向位移，且该位移朝两端逐渐降低至零。 理论预测得出的沉降范围在7.9～8.8 mm， 而有限元方法给出了6.9～7.6 mm的结果，两者之间的最大差异为1.1 mm，仍在工程应用的可接受精度范围内。 进一步对比地表超载存在与否的情形，可以看到两种情况下管线沉降的纵向分布相似， 但地表超载的存在使得靠近管线中部40 m 区域内的沉降量显著增加。 理论预测和数值模拟得出的沉降增量分别约为2.7～3.1 mm 和1.05～1.2 mm。

图1b 中，管道在各种环境工况下沿纵轴的水平位移分布与图1a 所展示的竖直位移分布表现出了一定程度的相似性。在管道中心附近约12 m 区域内，水平位移显著，超出此范围后迅速降低至几乎不可察。 这种显著的水平位移区域大约延伸20 m，仅为竖直位移显著区域的半径，并且其峰值也显著低于竖直位移的最大值。 在100 kPa 地表附加负载情况下，理论分析与有限元模拟预测的最大水平位移分别约为-4.6 mm和-4.2 mm，而竖直位移的峰值则约为8.8 mm 和7.6 mm。 在无附加负载条件下，这些方法分别预测出的最大水平位移为-1.1 mm 和-0.95 mm。表明，在100 kPa 的地表附加负载下，水平和竖直位移的最大增幅分别约为3.2 倍和0.55 倍， 进一步揭示了地表负载对水平位移影响的显著性。 不同条件下管线竖向和水平弯矩的纵向分布比较如图2 所示。

图2 不同条件下管线竖向和水平弯矩的纵向分布比较

由图2 可知研究中采用的理论模型在弯矩量值的估计时，理论预测相较于有限元分析结果偏高。 具体来说，在地表额外负载作用下， 理论模型对竖直和水平弯矩的最大估计值分别为21.10 kN·m 和10.39 kN·m，而有限元分析给出的对应值分别为17.94 kN·m 和8.52 kN·m， 理论模型在这两个方向的估计值分别高出17.61%和21.95%。 在无额外负载条件下，理论与数值分析得到的竖直最大弯矩分别为17.19 kN·m 和16.01 kN·m， 水平最大弯矩分别为7.47 kN·m 和6.28 kN·m，显示理论模型的估计值在竖直和水平方向上分别高出7.37%和18.95%。 进一步的分析表明，100 kPa 的地表额外负载虽未改变弯矩分布的基本形态，却显著提高了弯矩的极值。 理论模型与有限元分析表明，竖向弯矩峰值增幅达到21.21%，水平弯矩峰值增幅为37.82%。 结果说明，地表额外负载对管线的水平弯矩影响显著大于竖直弯矩。

4 结论

研究旨在探究地表超载条件下地下管线的竖向和水平位移、弯矩的分布规律以及地表超载对这些参数的影响。 研究结果显示，在地表超载条件下，管线的竖向位移和水平位移都显著增加。竖向位移增大了约2.6 倍，最大沉降约为3.1 mm，而水平位移增大了约4.4 倍，最大水平位移约为-4.2 mm。 此外，竖向和水平弯矩在地表超载情况下也有显著增加，竖向弯矩峰值增幅达到21.21%，水平弯矩峰值增幅为37.82%。 研究的结果表明地表超载对管线的竖向和水平位移、 弯矩产生明显影响，尤其是水平位移和水平弯矩的增幅更为显著。未来还需要考虑其他潜在的影响因素，以全面评估不同方案的优劣。