地铁深基坑开挖引起的周边管线变形探究

来源：浙江科技学院作者：陈巧红
发布于：2020-08-19 共18732字

　　摘要

　　随着城市化进程的发展，建设地铁已经成为解决城市拥挤的重要方式之一。而地铁往往穿插在城市繁华的街道之下，地铁的兴建必须考虑其对周边环境的影响，尤其是对周围地埋管线的影响。在这种复杂的条件下，既要保证地铁深基坑自身的稳定性和安全性，又要控制因基坑开挖而引起的周边环境的变形和位移，本文从理论分析、工程实测和数值模拟等三方面研究地铁深基坑开挖引起的周边管线变形，主要研究成果如下：

　　1．探讨了深基坑开挖引起管线变形的作用机理、影响因素和控制标准，基于弹性地基梁理论，建立了管线沉降的数值计算模型，并对管线沉降进行了分析和预测。

　　2．分析了多个基坑工程的现场实测资料，研究了坑外地表沉降、管线沉降与开挖深度的关系，探讨了沉降最大值在时间和空间上的分布规律，总结了基坑开挖对地表沉降和管线沉降的影响规律；提出基于软土地区的地表最大沉降平均值为 0.23%H，最大值为 5.5‰H，位于坑壁外大约 0.5H 处；管线最大沉降平均值为 1.24‰H，最大值为 2.5‰H，位于坑壁外约 0.75H 处；地表沉降最大值是管线的 2 倍，地表最大沉降、突变点的位置与管线最大沉降、突变点位置大小相近。

　　3．基于实际工程，应用 HSS 本构模型，建立 Plaxis 三维数值模型，讨论了基坑开挖引起管线在时间和空间上的发展规律，研究结果表明：管线的最大水平和竖向位移均位于基坑中间段附近；在基坑端头井附近，管线的位移变化率均大于 10%，位移变化较大，应重点监测该位置处的管线位移。

　　4．讨论了分步开挖、距离基坑远近、管线埋深和不同土体加固等因素对基坑开挖引起管线位移变化的影响。研究结果表明，随开挖深度的增加，管线水平和竖向位移受影响范围增加；管线的最大位移位于坑壁外 0.78H 处，管线的最大位移均随埋深的增加而增加，其中竖向位移受埋深影响较小；基坑被动区土体满堂加固效果优于裙边加固，加固土体对控制管线竖向位移发展的效果比对水平位移好，在加固深度 6 米内，加固深度越深，限制管线位移的效果越好；通过调整支撑和加固土体可以限制管线位移的发展。以上讨论的管线的计算和预测为工程实际提供一定的参考。

　　关键词：地铁深基坑，管线位移，影响因素，数值模拟

　　ABSTRACT

　　With the development of urbanization, subway has become one of theimportant tools to solve urban congestion. Metro often traverses busy cities. Theconstruction of Metro must consider its impact on the surrounding environment,especially on the surrounding buried pipelines. Under such complicated conditions,not only the stability and safety of pit itself, but also the deformation anddisplacement of the surrounding environment should be controlled. Based on theabove considerations, this paper analyses the excavation of a subway foundationpit from three aspects: theoretical study, field measurement and numericalsimulation. The main work and results are as follows:

　　1. Learning the deformation mechanism, influencing factors and controlcriteria of foundation pit and pipeline, based on the theory of elastic foundationbeam, the deformation trend of pipeline along the length direction of foundation pitis predicted simply.

　　2. Collect and analyze cases of foundation pit, to analyze the development ofsurface and pipeline settlement with time, with excavation, with the maximumsettlement and the distribution law of settlement, and to summarize the influencelaw of surface settlement and pipelines with excavation; put forward the averagemaximum surface settlement is 0.23%H, the maximum is 5.5%H, which is about0.5H outside the pit wall; the average maximum settlement of pipeline is 1.24%H,the maximum is 2.5%H, which is about 0.75H outside the pit wall. The maximumsurface subsidence is twice as large as that of pipeline, and the position ofmaximum displacement is similar to that of pipeline, and the position and size ofmutation point are similar.

　　3. Based on practical engineering, a PLAXIS three-dimensional numericalmodel is established by HSS constitutive model. The spatial distribution andtime-history development law of pipelines during the excavation are analyzed, andit is concluded that the maximum horizontal displacement and verticaldisplacement of pipelines are distributed near the middle of the pit. Near the endwells of the foundation pit, the displacement change rate of the pipeline is morethan 10%, and the displacement varies greatly. The displacement of the pipeline atthis position should be monitored emphatically.

　　4. Discuss the different factors which influence the displacement of pipelines.

　　Among which, the influence range of horizontal and vertical displacementincreases with the excavation; pipeline displacement is the largest at 0.78Hdistance from pit. The maximum horizontal displacement increases with theincrease of buried depth, and the vertical displacement of pipelines is less affectedby buried depth. The effect of full hall reinforcement is better than that of the skirt,and the reinforcement effect is better in controlling maximum horizontaldisplacement than in vertical displacement of pipeline in excavation. Within 6meters of reinforcement depth, the deeper the reinforcement depth, the better theeffect of restricting pipeline displacement.The development of pipelinedisplacement can be limited by adjusting the supporting and reinforcing soil. Theabove discussion provides a reference for the calculation and prediction ofpipelines by using three-dimensional numerical simulation and other similarprojects.

　　Key Words: Subway deep foundation pit, pipeline displacement, influencefactors, numerical simulation

　　目录

　　摘要..........................................................................................................................................I

　　第 1 章绪论........................................................................................................................... 1

　　1.1 研究背景及意义..................................................................................................................1

　　1.1.1 研究背景...................................................................................................................1

　　1.1.2 研究意义...................................................................................................................2

　　1.2 国内外研究现状及问题的提出.............................................................................................2

　　1.2.1 基坑工程变形研究现状及问题的提出.........................................................................2

　　1.2.2 基坑开挖对管线影响的研究现状及问题的提出...........................................................4

　　1.3 本文的主要研究内容及创新点.............................................................................................7

　　1.3.1 主要研究内容............................................................................................................7

　　1.3.2 本文的创新点............................................................................................................7

　　1.4 本文的技术路线..................................................................................................................8

　　第 2 章基坑和管线的变形理论及管线沉降的理论解.............................................................9

　　2.1 引言....................................................................................................................................9

　　2.2 基坑工程的变形理论...........................................................................................................9

　　2.2.1 基坑工程的变形机理.................................................................................................9

　　2.2.2 基坑的变形影响因素............................................................................................... 11

　　2.2.3 基坑变形控制标准...................................................................................................12

　　2.3 管线的变形理论................................................................................................................12

　　2.3.1 管线的变形机理......................................................................................................12

　　2.3.2 管线沉降的解析解推导............................................................................................13

　　2.3.3 管线的破坏模式与监测布置.....................................................................................18

　　2.3.4 管线的控制标准......................................................................................................19

　　2.4 本章小结...........................................................................................................................21

　　第 3 章软土地区地铁基坑开挖引起的管线实测分析研究...................................................22

　　3.1 引言..................................................................................................................................22

　　3.2 地表变形特性....................................................................................................................22

　　3.2.1 地表沉降的随时间发展的规律分析..........................................................................22

　　3.2.2 地表沉降与开挖深度之间的关系..............................................................................24

　　3.2.3 地表沉降分布模式...................................................................................................25

　　3.3 管线变形特性....................................................................................................................26

　　3.3.1 管线沉降随时间变化的规律分析..............................................................................26

　　3.3.2 管线沉降最大值的统计分析.....................................................................................28

　　3.3.3 开挖深度对管线沉降的影响.....................................................................................29

　　3.3.4 管线埋深对管线沉降的影响.....................................................................................29

　　3.3.5 管线沉降的空间分布规律........................................................................................30

　　3.4 本章小结...........................................................................................................................32

　　第 4 章地铁基坑开挖对管线的影响数值模拟实例分析.......................................................33

　　4.1 引言..................................................................................................................................33

　　4.2 工程概况...........................................................................................................................33

　　4.3 有限元模型的建立.............................................................................................................36

　　4.3.1 模型边界条件..........................................................................................................36

　　4.3.2 参数选取.................................................................................................................36

　　4.3.3 施工工况.................................................................................................................41

　　4.4 数值计算结果与验证.........................................................................................................41

　　4.5 基坑开挖对管线的影响分析...............................................................................................43

　　4.5.1 管线变形随工况的变化............................................................................................43

　　4.5.2 管线位移及其变化率...............................................................................................44

　　4.6 本章小结...........................................................................................................................46

　　第 5 章不同影响因素对管线变形的数值模拟分析...............................................................47

　　5.1 引言..................................................................................................................................47

　　5.2 分步开挖...........................................................................................................................47

　　5.3 管线距离基坑远近.............................................................................................................50

　　5.4 管线的埋深.......................................................................................................................51

　　5.5 土体加固...........................................................................................................................53

　　5.6 控制管线变形的措施和管线控制值设置.............................................................................58

　　5.7 本章小结...........................................................................................................................59

　　第 6 章结论与展望................................................................................................................... 60

　　6.1 结论..................................................................................................................................60

　　6.2 展望..................................................................................................................................61

　　参考文献........................................................................................................................... 62

　　致谢....................................................................................................................................... 67

　　攻读学位期间参加的科研项目和成果....................................................................................... 68

　　第 1 章绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　1.1.1 研究背景

　　近年来，随着我国城市的发展，地铁已经成为大部分人出门优先选择的交通工具之一，地下交通分担了很大一部分的交通压力，解决了很多城市交通拥堵的问题。但是在城市核心地区发展地铁轨道交通，往往面临着复杂的地质水文条件。

　　地铁施工包括地铁车站主体和车站之间的区间两部分，车站是其中最重要的一部分。

　　地铁大多建在城市建筑物和管线密集的地区，周围环境和施工情况复杂，与一般的建筑物深大基坑相比，地铁车站深基坑的特点是：1）属于典型的条形深大基坑，形状比较规整，多为两层地下结构，宽度一般为 20m 左右，长度为 200~600m；2）为了减少基坑开挖造成的周围环境的影响，基坑围护结构通常采用整体性较好的地下连续墙或者比连续墙整体性稍差但是更经济的钻孔灌注桩等；3）由于地铁基坑长度较长，所以其开挖具有较强的时间和空间效应，施工方法和施工步序对围护结构的工作性状有着十分重要的影响；4）由于地铁穿越城市的繁华地区，因此基坑开挖和施工对周围环境的要求比较高，需要严格控制基坑变形来保护周边；5）地铁建设是为了缓解拥堵的城市交通，因此为了减小对人们生活的影响，地铁施工的工期往往比较紧张。正是由于地铁深基坑开挖时间和空间上与普通深基坑有所不同，导致了地铁施工和设计对设计人员提出了不一样的新要求[1]。

　　由周红波等人对大范围基坑事故进行数据统计可知，对于国内已有的轨道交通，发生地铁车站的安全事故的原因主要有支撑的失稳破坏、渗流破坏和坑内滑坡三种，这三种发生事故的原因占所有事故发生的 88%左右，渗流破坏就占了 62%，应当引起广泛的重视[2]。

　　地铁基坑破坏的形式也主要分为两种，一是基坑本身发生的破坏，即围护结构发生失稳破坏等；二是基坑开挖造成的周边环境的不良影响，主要表现在建筑物发生差异沉降，周边地表沉陷，管线发生差异沉降导致的破坏等。大多数情况下，开挖导致的周围环境的不良影响得到有效限制的话，地铁基坑也不容易发生失稳破坏，所以在繁杂的地铁车站设计过程中，应在保证基坑强度控制的基础上着重关注基坑及其周边环境的变形控制。因此在城市的核心地区发展地铁，对周边环境的影响控制尤其是对管线的变形控制成为基坑工程的重点关注之一。

　　1.1.2 研究意义

　　根据具体的工程案例结合理论指导，可以通过实测、理论和数值结合的方法分析研究地铁车站深基坑对管线的变形影响，研究控制管线位移发展的因素，为基坑工程的施工提供一定的指导。但是由于土体本身的多元性，以及城市地铁周边复杂的环境，除了需关注基坑本身的安全以外，还需重点关注施工对周边环境的影响。因此，严格控制并减小基坑开挖所带来的周围环境效应问题，是当前面临的首要问题。

　　由于地铁大多建设在人口和建筑物密集地区，往往需要穿过大量的地下管线，部分管线还要配合地铁的建设需要暂时的搬迁。但地下管线是城市的生命线，地铁的每一次开挖都会对管线造成不小的扰动，管线会发生一定的受力变形，若产生的变形过大会直接影响到管线的正常使用，甚至出现管线破裂爆炸等严重事故，直接影响到人们的正常生活，因此研究管线变形规律具有重要的现实意义。

　　1.2 国内外研究现状及问题的提出

　　1.2.1 基坑工程变形研究现状及问题的提出

　　基坑工程中的变形问题，国外从 1950 年就开始入手研究，总的来说，基坑的变形主要集中在以下三个方面：围护结构侧移、坑底隆起和坑外地表沉降。由于管线的埋深较浅，而地铁基坑开挖深度较深，因此围护结构侧移和坑外地表沉降对管线的沉降有较大影响，本节主要对这两方面进行讨论。围护结构侧移和坑外地表沉降的研究采用的方法主要有：

　　经验公式法、理论解析法、数值计算法和模型试验法等。

　　1、围护结构侧移

　　基坑工程由于不同地质条件和围护结构方式具有个体性，对围护结构侧移的研究也要考虑多种影响因素，主要有：围护结构本身因素有，围护结构的类型、刚度、插入比等，其它因素有，土质条件、水文条件、开挖深度、基坑降水、施工步等。其中影响较大的是围护结构类型，不同的围护结构类型对位移变化影响较大，早期的研究主要集中在工程实测方面。廖少明等[3]收集了苏州地区 11 个采用钻孔灌注桩围护和 23 个采用地连墙围护的基坑，研究分析表明在不同围护方式下，其围护结构最大测斜、埋深和墙后影响范围等均有明显差异。墙体的最大测斜和基坑坑底隆起也有一定的联系，Maza[4]分析整理了多个软弱到中等硬度的黏土层基坑的实测资料，并将 Terzaghi[5]给出的坑底抗隆起稳定系数带入，推导出围护结构最大侧移与坑底抗隆起稳定系数的关系，当坑底抗隆起稳定系数小于1.4~1.5 时，围护结构的最大相对侧移将迅速增加（最大相对侧移=最大侧移/开挖深度）。刘建航[6]整理了上海地区多个基坑的工程资料，也得到了测斜与抗隆起稳定系数存在类似的规律。

　　Ou[7]、刘兴旺等[8]也整理分析了多个基坑工程实测资料，统计分析得到墙体测斜约为0.2％H～0.9％H，而且土体抗剪强度越低，墙体测斜最大值就越大。Clough and O’Rourke[9]

　　整理分析了硬黏土地区的基坑，得到墙体的最大测斜约为 0.2％H；整理分析了软至中硬黏土地区的基坑，得到墙体测斜主要与坑底抗隆起的稳定系数以及围护结构的刚度等有关。

　　在实测基础上，人们提出了多种解析方法对围护结构侧移进行理论计算分析。杨有海等[10]通过弹性地基梁有限元进行分析得出：增加围护结构刚度能有效减少墙体侧移，但会对支护桩产生不良影响且明显增加工程成本；通过调整内支撑的架设，即减少基坑上部的支撑，增加基坑下部的支撑，也可以有效减小墙体侧移。张建伟等[11]推导出在受水平梯形分布荷载作用下，地基系数按 p-y 曲线的基坑悬臂桩的水平位移计算方法，推出荷载是影响桩体位移的重要影响因素。

　　尽管理论解析法如常用的弹性地基梁法具有一定的理论基础，其简化了公式，计算简便，但是对围护结构和土体之间的作用也只做了粗略的考虑，计算结果只有一定的参考价值。所以数值方法以其计算精度高，考虑复杂工况周全等优点被工程师们广泛使用。如刘红岩等[12]以有限差分程序 FLAC 3D 软件对基坑开挖引起的墙体位移进行了模拟计算，得出墙体位移随开挖深度增加而增加，但会逐渐趋于稳定。

　　模型试验方法一般主要有离心模型试验。马险峰等[13]以上海软土地区某超深基坑位研究背景，做了离心模型试验，研究了两组类似工况下围护结构位移、地表沉降、基坑底部隆起的变化，得出开挖过程中，基坑围护结构位移逐渐增大到一定程度后保持不变，最大值一般随开挖面的变化而变化；经过大量的实验模拟后 Terzaghi[14]得出，基坑开挖过程中基坑的围护结构位移与基坑内的极限平衡状态之间存在一定的联系。

　　2、坑外地表沉降

　　当基坑内土体压力被卸载后，围护结构受到土压力作用发生靠近基坑的侧向位移，周围地表也相继发生沉降。早期研究地表沉降主要采用经验公式的理论计算方法，Peck[15]

　　根据奥斯陆和挪威等地采用的钢板桩围护结构的基坑工程，总结墙后地表沉降的变化规律，将该地表沉降形态简化为三角形分布，最大地表沉降位于围护结构墙边，并提出了地层损失的概念，即隧道开挖引起的地表沉降槽体积约为地层损失体积，并给出地表沉降公式：

　　式中：s(x)为距隧道中心轴线为 x 处的地面沉降；smax 为隧道轴线上方地表最大沉降量；i 为地表沉降槽宽度系数，即沉降槽曲线反弯点至隧道中心线的水平距离；x 为距隧道中心线的水平距离。

　　Goldberg 等[16]在研究砂土和黏土地区采用钢板桩支护的基坑开挖沉降影响范围时，得出在砂土和硬黏土地区，基坑开挖影响范围为 2H，而软土地区，开挖影响范围较大，约 3H（H 为开挖深度）。Clough 和 Rourke 等[17]对不同土质区域的基坑开挖对地表沉降的影响范围进行了钻研，得出开挖对土体沉降的影响在 2 倍开挖深度范围内。

　　经验公式法和解析解法已经广泛应用于工程实际，但是仍然存在以下缺陷：

　　1）将荷载简单化，无法对沉降曲线的影响因素进行分析；2）经验法和解析解法都仅适用于正常固结土，对于超固结土和砂砾土，这些理论计算只能给出地表处的沉降分布，不能推算出地面以下的土体沉降。

　　与经验公式和解析解不同，数值模拟可以结合工程实际，考虑复杂的施工条件，更好地得到地表沉降的变化规律，因此得到更广泛的应用。其中 Thomas[18]对比具体工程实际数据与有限元模拟，整理了基坑围护结构侧移与地表沉降之间的变化规律，总结得出基坑开挖过程中，悬臂式的墙体测斜与地表沉降比值约为 1.6；与悬臂式的围护结构相比，支撑式墙体测斜与地表沉降比值小得多，比值仅为 0.6。李佳川等[19]采用空间八节点分协调等有限元方法，对基坑开挖过程中悬臂式围护结构周边土体沉降的分布规律进行模拟研究，指出可以根据土体沉降传递系数来计算周围土体的沉降和周围地下管线沉降，从而为管线保护提供有效参考，计算得出在坑外 1 倍开挖深度左右管线沉降达到最大，此时管线接头也最容易受到破坏。Thomas 和李佳川的文中都将实测和有限元对比分析，得出了围护结构测斜和地表沉降的关系、地表沉降与管线沉降的关系等，为工程实际提供一定的参考。

　　1.2.2 基坑开挖对管线影响的研究现状及问题的提出

　　地铁车站深基坑开挖导致地下管线变形破坏，最终开裂爆炸的安全事故时有发生，严重影响到人们的正常生活，因此如何在地铁车站施工中对管线变形和位移进行监控和保护成为地铁建设中必须要考虑的问题。工程实践证明，很多情况下周边环境遭受破坏时，基坑的围护结构仍十分稳固，未发生失稳破坏，因此地铁施工向技术设计人员提出了更严格的设计新要求，将设计标准中的强度控制转变为变形控制，从而保护基坑周边环境[20]。

　　近年来，学者们主要研究建筑物基坑开挖或隧道盾构下，管线受力和变形的一般规律，但对地铁基坑开挖引起的周边管线位移规律，管线位移变化的影响因素以及如何限制管线位移发展方面的研究成果相对较少。国外在此方面已有一定的研究成果，多为解析法，其中　　Klar 等[21]将管线的接头看作转动的弹簧，通过解析法分析计算了由基坑开挖引起的管线位移变化，提出管线接头转动刚度是影响管线位移变化的因素之一。Takagi 等[22]运用弹性地基梁法分析计算基坑开挖造成的钢管、铸铁管等刚性管线上的附加应力，将管线埋深以上的土体作为外荷载，代到弹性地基梁方程计算了管线的竖向沉降量。即：

　　44 pd SEI k Sd k S ddx+ = （1-2）。

　　式中：EI 是管线弯曲刚度；d 是管线直径；S 是土体沉降量；Sp 是管线沉降量；k 是地基基床系数。

　　Attewell[23]将此问题简化为 Winkler 模型并给出了解析解，研究认为，当开挖方向平行于管线时，管线则主要受到轴向的拉压作用；而当开挖方向与管线方向垂直时，管线则主要发生由纵向位移引起的接头转角增大及管线弯曲应力增加。采用弹性地基梁法预测管道变形的方法简单可靠，Attewell 提出了一系列的经验公式以及管线经验的控制标准。

　　上述的研究方法中，Klar 虽然分析了管线接头对管线位移的影响，但是没有给出相应的解析解；Takagi 给出的解析解计算量仍然很大，不适用于工程实际；Attewell 给出了管线的解析解，分析讨论了不同开挖方向对管线弯曲应力和接头转角的影响，在工程上有一定的参考意义。

　　国内也有从解析解方法分析基坑开挖过程中对管线的影响，其中张土乔等[24]建立了竖向荷载下管线的计算模型，分析研究了管线的沉降规律和管线接头转角的变化规律。李大勇等[25]利用弹性地基梁法对管线进行受力分析，推导出基坑开挖引起的管线位移方程，分析得到基床系数、基坑长度和地表沉陷量均是影响管线位移的因素。

　　文献[24-25]是关于管线位移的理论分析，基于弹性地基梁理论提出计算模型[26-27]，其在一定程度能研究基坑开挖引起的管线位移的机理，能给出定性的分析，但只能对计算模型和计算公式进行大量的简化。解析方法在一定程度能研究地铁基坑开挖引起的管线位移的机理，能给出定性的分析，但面对开挖环境变化时，并不能将实际工程土质、开挖工况等充分考虑在内，并且理论计算公式复杂、计算量大，不利于对实际工程的应用和推广，很难给出量化的结论。

　　除了解析方法，学者们还运用了工程类比的方法对管线位移进行研究，例如 Crofts、Menzies 和 Tarzi[28]与多个工程实际做类比，得出了工程上可以简单估算管线水平位移的方法，位移分别由四部分组成：

　　x=x1+x2+x3+x4 （1-3）。

　　其中：x1 是由基坑壁向坑内膨胀引起的；x2 是由基坑壁与围护结构接触引起的；x3　　是由围护结构的弯曲引起的；x4 是由基坑内的回填土发生固结引起的。

　　还有的学者选择了模型试验对该课题进行深入研究。Osamu Kusakabe 等[29]进行了在砂土中模拟开挖对管线的离心模型试验，发现管线距离开挖面的远近和管线本身的刚度是影响基坑开挖引起管线变形和位移的重要因素。

　　国内学者主要采用的是数值模拟分析方法。蔡健鹏等[30]分别研究均质地基和层状地基条件下基坑开挖对临近管线的影响，从统计的围护墙水平变形和地表沉降预测曲线出发，提出了管线的计算模型，利用整体法和 DCFEM 法对比分析，得到了管线变形规律和受力的分布规律。

　　王成华等[31]采用 HS 土体硬化模型在 Plaxis 3D 软件中建立基坑开挖引起的管线位移变形的三维模型，讨论分析了基坑大小、施工工序、管线数量及与基坑的相对位置对管线竖向和水平位移的影响。

　　张孟喜等[32]则采用了 ANSYS 软件建立了基坑开挖引起管线变形的三维模型，分析讨论了土体参数选择、内支撑的架设顺序、基坑开挖深度大小等影响因素对管线受力和变形的影响规律。同时利用改进的 BP 神经网络方法对模拟基坑开挖引起管线沉降进行实时预报，与实测值对比，分析了地下管线变形的变化规律。

　　张陈蓉等[33]总结了前人对基坑工程变形的规律研究，提出了上海软土地区板式围护结构的墙体测斜和周边地表沉降的预测方法，并运用三维 DCFEM 法以及位移控制两阶段理论分析法两种方法对某一基坑工程开挖引起管线变形实例进行了分析研究，验证了本文给出的预测墙体测斜和地表沉降方法的合理性，为工程实际提供参考。

　　李大勇等[34]对利用有限单元法建立了内撑式基坑的三维分析模型，探讨了开挖深度、管线埋深、支撑刚度等因素对管线位移的影响，其中支撑刚度可在一定范围内控制管线位移的发展；开挖深度越大，管线位移越大；在一定范围内，管线位移随埋深增加而增加。

　　张鸿儒，候学渊，夏明耀等[35]采用数值模拟分析了基坑开挖导致的周围土体变形对周边地下设施的影响，研究表明，在基坑开挖影响范围内，沿基坑的长度方向管线沉降和土体沉降均呈正态分布，得出地下管线受基坑开挖引起的位移绝对值大小是导致地埋管线破坏的主要原因。

　　文献[30-35]采用的是数值有限元模拟分析，采用数值方法不但可以考虑复杂的地质水文条件、结构-土体间的相互作用，还能模拟基坑开挖过程中复杂的施工。蔡建鹏和张陈蓉等人都是从现有的基坑工程变形规律出发，提出有限元分析方法，对管线的变形和受力进行分析。王成华、张孟喜、李大勇等主要通过数值方法来研究影响管线变形和受力的影响　　因素。但是数值方法也有一定的局限性，实际工程中土层高高低低不平，但建模时则简化成土层均一，土体本构的选择和土层参数需结合工程经验进行取值，深大条形地铁深基坑实际施工较为复杂，建模也只能做简化分析，因此目前数值分析仅用在工程设计的验算上。随着对土体应力-应变关系研究的深入以及土体参数室内试验、位移反分析等手段的进一步提高，结构-土体完全耦合法的应用前景将十分广阔[36]。

　　有限元分析大多限于弹性范围内对土体进行分析，并没有反应出土体的弹塑性本质。正如上述提到的，实际工程面临着复杂的地质水文条件、复杂的路面超载、复杂的施工等，模拟做了大量的简化，计算的结果肯定与实际有明显的差异。因此需正视有限元数值分析法在工程上的应用价值[37]。

图 1-1 技术路线

2-1 基坑的变形形态图

图 2-2 地表沉降和围护墙变形的曲线形式示意图

图 2-3 坑底隆起

表 2-2 基坑变形控制标准（H 为开挖深度）

　…………由于本文篇幅较长,部分内容省略,详细全文见文末附件

　　第 6 章结论与展望

　　6.1 结论

　　本文基于软土地区多个地铁基坑实测资料的整理分析，对现行基坑相关控制标准进行解释，提出对于软土地区开挖深度为 15~18m 的地铁基坑，管线的控制标准为 40~50mm左右。管线的最大位移位于 0.75~0.78H，其中 2H 以内为主要影响区，2~3H 为次要影响区，管线受影响范围为 3H 范围内。

　　具体主要研究成果如下：

　　1、从理论上，选取弹性地基梁模型，建立管线的竖向位移数学模型进行简化分析，可得到管线沿基坑长度方向的沉降趋势，对管线沉降的预测起到一定的作用；2、从实测分析上，收集整理了多个地铁基坑管线沉降变形的现场实测资料，从统计角度探讨了地铁深基坑开挖的周边管线的变形性状。研究结果表明：

　　1）地表最大沉降平均值为 0.23%H；墙后地表沉降整体分布形态多为凹槽型分布，地表最大沉降位于坑壁外大约 0.5H 处，其值为 5.5‰H 左右；沉降曲线的突变点位于 2.5H附近，其沉降值为 1‰H；2）柔性管线的沉降平均值为 1.2‰H，埋深较浅，与埋深关系较不明显；刚性管线的沉降平均值为 1‰H，在一定范围内沉降随埋深增加而增大；管线最大沉降平均值为 1.24‰H；墙后管线的沉降为凹槽型，管线的最大沉降均位于坑壁外大约 0.75H 左右，其值为 2.5‰H，沉降突变点位于 2.5H 附近，其值为 1‰H；3）地表沉降与管线沉降有一定的相关性，地表沉降最大值是管线的 2 倍，最大位移的位置与管线最大位移处相近，沉降的突变点都位于距离基坑 2.5H 附近，值都为 1‰H；开挖影响范围考虑在 3 倍开挖内。

　　3、通过三维数值模拟分析，研究了基坑开挖过程中管线的时空分布以及变形规律。

　　通过深层墙体水平位移和管线的竖向位移的验证后，分析了分步开挖，距离基坑远近，管线埋深，土体加固等因素对管线位移的影响，得到了以下结论：

　　1）分步开挖对管线的变形影响很大，当开挖深度超过一半后，随后的开挖对管线的位移的增长影响减缓，这说明管线通过变形适应了这种土体扰动；2）管线最大水平和竖向位移均受距离基坑远近影响，当 L/H<0.78 时，管线的水平位移随距离基坑距离的增大变化不明显，管线的竖向位移随距离基坑距离的增大而增大；当L/H>0.78 时，管线的水平位移和竖向位移均随距离基坑距离的增大而减小；管线的竖向位移受距离基坑远近影响较大；当 L/H=0.78 时，管线的位移均达到最大；3）管线的最大位移也受管线埋深的影响，水平位移均随埋深的增加而增加；竖向位移受埋深影响不大，随着埋深的增加，管线的最大竖向位移先缓慢增加后缓慢减小；4）满堂加固效果优于裙边加固，在 6m 加固深度范围内，加固深度越深，限制管线位移的效果越好，加固对控制基坑开挖对管线的最大竖向位移效果比水平位移好；对于类似本文土质的地铁深基坑（开挖深度为 16.6m），加固深度为 3 米时，优先考虑满堂加固；加固深度为 6 米时，优先考虑裙边加固；5）开挖深度较深的地铁基坑，可提高一半开挖深度范围内的第二道刚支撑的刚度或加固坑底以下一定位置处的土体，都能够在一定程度上减缓管线位移的发展。

　　6.2 展望

　　本文主要从理论分析、监测资料分析和数值模拟三方面着手，分析研究了基坑开挖过程中管线的时空效应和影响因素，得出一些初步的成果，但仍有许多不足，还有一些问题没有做深入研究，在以后的学习中可以进一步研究补充以下问题。

　　1、计算管线沉降时，采用弹性地基梁法无法考虑地表沉降、坑底隆起、围护结构的水平位移三者之间的联系，也没有考虑管线的埋深，推导时做了大量的简化，因此得到的管线沉降计算公式不是很严谨，下一阶段需加入管线埋深这一因素进行严谨的推导研究。

　　2、本次建模中在钻孔时即考虑降水已经完成，未考虑地下承压水的作用，但实际工程中地下水丰富，在开挖过程中，土体、地下水、基坑和管线的耦合作用是下一步需要研究的课题。

　　3、实际工程中，管线是一节一节的套管组成的，而模拟中将管线做成一个整体，无接头连接，但管线的破坏往往主要发生在管节之间的接触面上，因此下一阶段的学习应该在建模时考虑管线的接头及其变形。

　　4、本文中所采用的土体参数主要参考工程地质勘察报告和已有文献的研究成果来进行取值，针对不同地区具体土质，应通过大量的室内试验，研究和确定土体参数在 HSS模型中的取值。

　　5、本文未考虑在运营过程中，地铁运行的交通循环荷载对周边土体和管线的影响，在今后的研究中，可以关注这方面的研究，并且可以研究其对邻近的基坑围护结构的影响。

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作者单位：浙江科技学院

原文出处：陈巧红. 地铁深基坑开挖对周边管线的影响研究[D].浙江科技学院,2019.

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