深基坑工程中地下管线位移影响分析.doc

1 前 言 城市建设的飞速发展，使得大多数深基坑工程处于密集建筑物、道路和地下管线等设施之中，从而对这些周边环境产生较大的影响，严重的会导致建筑倾斜、开裂甚至破坏，最终无法使用：道路开裂下沉，影响车辆交通：生命线工程(给排水管道、煤气管、电缆管及通讯管等)产生严重变形，引起过大的应力而导致破坏，严重影响居民的日常生活。因此，以往把深基坑开挖工程的设计、施工作为一个孤立的问题来考虑仅侧重于基坑围护结构强度控制，是难于达到保护周围环境的目的的。这已逐渐引起了人们的高度重视以实现从强度控制设计到变形控制设计的转变。本文重点讨论深基坑开挖对地下管线的影响。 深基坑开挖对地下管线的影响是一个非常重要的课题，在实际工程中造成的此类工程事故时有发生，已经引起了科研、设计和施工人员的高度重视，对此问题的成功预测并采取积极的保护措施，显然是极其重要的。然而对此问题的研究国内外还是比较少见的，且大都停留在定性研究的基础上。 文2在实际工程监测的基础上，提出了一种估算由基坑开挖引起地下管线最大水平位移的方法，但这个方法不能得到地下管线整体位移模式。 文3定性分析了基坑开挖减少周围环境影响的对策，提出了基坑开挖影响程度区分图，并指出，在影响范围的不同部位，因基坑开挖带来的影响程度不一样，离围护结构越近影响程度越大，反之越小。文4采用空间8节点非协调等参单元方法，首次研究了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，并引入沉降传递系数的概念，据此根据地表沉降估算地下管线的变形。 从上述文献不难发现对此问题的研究，还不十分深入，有进一步研究的必要性。根据文5的调研发现，在众多深基坑围护结构形式中，悬臂式围护结构占较大比重，为此，本文重点讨论悬臂式基坑开挖对地下管线的影响。 2 三维有限元建模 2.1 基本假定 为了便于问题分析，掌握规律，本文作了以下假定： (1) 地下管道为等直径、等壁厚，且不考虑管道接头的影响，管道材料本构关系按线弹性考虑。由于大部分地下管道平行于道路铺设，建筑物也是沿道路建设，故仅考虑地下管线平行于基坑边的情况。 (2) 土体定为连续介质线弹性体。 (3) 围护结构与周围土体是连续体，不考虑围护结构与周围土体有相对的剪切错动，即两者不设接触面单元。 (4) 管道与周围土体在变形前后及变形过程中，两者紧密接触，即在变形过程中，管与土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，即土体相对管道来说不是非常的“软”。但是，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，可能产生土体与管道分离现象，在这种情况下，是不能用弹性力学的知识来解决的。然而，基坑工程计算分析过程中不允许产生象滑坡中土体的大位移。可认为地下管线与土体紧密接触，不考虑管土的分离现象。 2.2 分析算例 2.2.1 算例及有限元网格划分 算例为某悬臂式基坑，平面尺寸为30 m30m，基坑开挖深度为5m，围护结构宽度为0.6m，插入深度为10 m。根据工程经验及有限元计算结果，基坑开挖的影响宽度为基坑开挖深度的34倍，影响深度约为开挖深度的24倍。本算例计算范围取为60.6ml21.2m35m，即影响宽度和深度分别取9倍、4倍的开挖深度，如图1所示。根据结构对称性，沿基坑中部取一半进行分析，共划分7092个单元和8272个节点，其中管线共有184个单元和192个节点。基坑开挖荷载的计算和有限元分析方法见文。图1 基坑剖面图 计算模型的边界条件如下： 边界yz面上x方向被约束，y，z方向自由：xz面上y方向被约束，x，z方向自由；模型底面xy为固定约束；另外，模型四角竖线上点的xy方向被约束。 2.2.2 计算参数 (1) 土体：为了便于寻找规律，土体采用线弹性本构模型。自上而下土层参数依次为：土层I中土体弹性模量E=2MPa，泊松比=0.49，层厚为5m；土层中土体弹性模量E=4MPa，泊松比=0.45，层厚为10 m；土层III中土体弹性模量E=16MPa，泊松比=0.40，层厚为20 m。土体单元采用空间8节点协调单元。 (2) 围护结构：按混凝土弹性材料考虑，弹性模量进行折减后取E=25000MPa，泊松比=0.17。为了克服“过刚”现象，围护结构单元采用非协调元。 (3) 地下管线：本例取混凝土管管道外径为D=1m，壁厚t=lcm，弹性模量E=2.05105MPa，泊松比=0.3。考虑到管道大都为薄壁管，宜采用板壳单元进行有限元分析，见文。 3 影响地下管线位移的因素分析 基坑开挖导致了坑内土体应力释放，打破了原有的力学平衡，致使围护结构侧移、基坑底部隆起，从而使墙后土体随之位移，带动了地下管线向坑内位移，地下管线的这种位移具有“空间”性，为了便于分析，可以分为水平和竖向两部分考虑。上述文献或侧重于水平位移分析或侧重于竖向位移分析，显然是不全面的，而有的实际工程测量中也存在只重视地下管线沉降的测量，这也是存在误解的。通过大量工程实例及本文有限元分析，表明地下管线的水平位移往往大于其竖向位移，因此，应引起人们足够的重视。地下管线的位移受到离基坑的距离、埋深、下卧层土质、管线与周围土层的相对刚度、施工方法等诸多因素的影响，为了便于分析规律，本文在考虑某一因素的影响时，假定其他条件不变，比如在考虑地下管线离基坑边距离对其位移的影响时，均假定地下管线的材质、管径、壁厚、埋深、土质相同。 3.1 地下管线离基坑边距离的远近对其位移的影响 图2是在混凝土管埋深(地面至管顶的垂直距离)2m情况下得到的，图中L为地下管线中心线到基坑边的距离，h为地下管线埋深即为2 m。从图中可以得出，地下管线的最大位移位于基坑中部对称面上(x=60.6m)，地下管线距离基坑越远，其位移量值越小。图2(a)表明，地下管线水平位移在x=40m处(即离基坑边1倍开挖深度)出现拐点，040m处，受基坑开挖影响小，表现位移较小，4060.6m处，强烈受基坑开挖的影响，出现较大的位移；而对于图2(c)中的竖向位移，基本上在基坑端部产生了拐点。图2(b)，(d)说明，地下管线距离基坑边大约3倍的开挖深度(15 m)内，地下管线位移明显受基坑端部抑制效应的影响，出现了“抑制点”，水平位移的“抑制点”大约位于基坑端部外1倍的开挖深度处。而竖向位移的“抑制点”基本位于基坑端部处，距离基坑越近，其抑制作用越强。这种现象的存在对地下管线的安全性是极其不利的。因为，此处的曲率突然变大且出现了应力集中现象，是应该加强保护的地段。 3.2 不同下卧土层土质的影响 由图3看出，下卧土层对地下管线的水平及竖向位移影响显著，亦说明可以通过改良下卧土层土质的办法，有效地限制地下管线的位移，但也存在着经济方面的矛盾，要综合加以评价和选择。 3.3 地下管线埋深的影响 图4为地下管线最大位移与h/D关系图。图中，A为地下管线的埋深，D为外径。从图4中看出，地下管线的最大竖向和水平位移与h/D近似成线性关系，随着h/D的增大而逐渐减小，而最大水平位移减小的幅度比最大竖向位移小，考虑到地下管线的埋深一般为06m，故没有作进一步埋深分析。 3.4 管线弹性模量Ep与周围土体弹性模量Es的比值对地下管线位移的影响 从图5可以得出地下管线最大水平、竖向位移hmax和max随Ep/Es的比值增大而增大，Ep/Es对地下管线的位移影响显著，可见在同等的情况下，通过改良地下管线周边土的土质可有效地控制地下管线位移。目前，实际工程中常采用管底注浆，这种措施只能有效地减小地下管线的沉降，而对其水平位移影响不大。建议在此基础上，在地下管线与基坑之间进行土体竖向加固，可有效减小地下管线位移，达到保护的目的。 4 地下管线保护措施分析 城市生命线工程承担着给水、排水、供气、供电等多项与人们日常生活息息相关的任务，为了保护临近基坑的地下管线的安全，一般采用如下的步骤进行基坑开挖： (1) 了解基坑周围地下管线分布情况及其类型，具体内容为：管线种类(包括管线用途、管线材质、接头形式等)、管线走向、管线埋置深度、管线离基坑边的距离等：地下管线所在道路的地面人流与交通状况，以便制定适合的测点埋设和测试方案。 (2) 根据管线材料的容许应力及管线容许最小曲率半径，确定管线的容许最大变位值。 (3) 采用适当的监测方案和手段，对临近地下管线进行现场测量。图2 L/h对地下管线位移的影响图3下卧层土质对地下管线位移的影响图4 地下管线最大位移与h/D的关系 (4) 估价地下管线所受的影响，必要时对原设计和施工方案进行调整。 (5) 应使实测变位值不超过容许变位值，当估计有可能超过容许最大变形值时，应事先采取措施，以确保整个基坑工程的安全。图5地下管线最大位移与Ep/Es的关系 备注：所有位移图中的位移数值符号，水平位移为正值表示地下管线向基坑内方向位移；竖向位移为负值表示地下管线向下位移。 对地下管线的保护，可采取以下措施： (1) 限制围护结构位移，减少地下管线位移 基坑被动区加固用压力灌浆、石灰桩、树根桩、地下连续墙以及降水等方法来提高坑底土的强度和变形特性，能有效地减少围护结构的水平位移，从而减小基坑地表的沉降。 及时加设支撑 这也是减少围护结构水平位移，改善围护结构的受力条件，减少基坑附近地表沉陷，增强基坑稳定性的有效方法。 逆作法施工 逆作法将地下连续墙作为地下结构的一部分。利用地下主体结构梁、板体系作为围护结构的支撑，逐层进行挖土和梁、板、柱体系的施工。此法的优点是：减少围护结构的变形和减小环境影响，降低基坑工程造价。 (2) 信息化施工 信息化施工可以随时掌握施工中的各项参数，并预测下一阶段乃至最后阶段的状态，可对设计、施工方案进行修正，达到工程安全、经济的目的。城市市政管理部门和煤气、自来水部门等对各类地下管线的允许沉降量制定了十分严格的规定，工程建设所有有关单位必须严格遵循。地下管线的监测内容包括垂直沉降和水平位移两部分，其测点布置和监测频率应在对管线状况进行充分调查，与管线单位充分协商后予以确定。目前工程中主要采用间接测点和直接测点两种形式。 5结 论深基坑临近地下管线的保护问题是基坑工程中的重要课题。本文利用三维有限元方法求得了地下管线的位移模式；对影响地下管线位移的主要因素进行了分析；并得出了地下管线水平位移与竖向移同样重要，且往往大于竖向位移的结论，从而证实了有些工程只重视竖向位移观测，忽视水平位移观测的不恰当做法。本文对基坑工程中的地下管线保护，提供了有利的理论依据，可以指志围护结构的设计和对地下管线位移进行预测，当估计有可能会超过容许最大变形值时，应事先采取措施，以确保整个基坑工程的安全。关于印发上海市道路地下管线保护若干规定的通知2006-02-27 各区、县建设（市政）行政管理部门、各相关行政管理部门、各有关单位： 根据国家和本市的有关规定，为加强对上海市道路管线保护监督管理，我局制定了上海市道路地下管线保护若干规定，现发给你们，请予执行。原市建委文件关于保护地下管线工作的通知沪建市（98）第0331号，已由市建委废止。 本通知自发文之日起执行。 附件一：上海市道路管线监护交底卡样张（略） 附件二：上海市建设工程道路管线安全保护承诺书样张（略） 附件三：上海市管线外损事故报告单样张（略）上海市市政工程管理局 二五年十二月十二日上海市道路地下管线保护若干规定 第一条 （目的和依据） 为确保城市道路地下管线的正常运行，加强本市建设施工现场的管理，提高文明施工的水平，根据上海市建筑市场管理条例、上海市城市道路与地下管线施工管理暂行办法、上海市建设工程文明施工管理办法的规定，结合本市道路地下管线的实际情况，制定本规定。 第二条 （适用范围） 本市建设施工对道路地下管线的保护，适用本规定。 第三条 （管理部门） 上海市市政工程管理局（以下简称市市政局）是本市道路地下管线保护监督管理的主管部门。上海市道路管线监察办公室(以下简称市道监办)负责本市道路地下管线保护监督的具体管理和外力损坏道路地下管线事故的协调处理、统计以及上报工作。 第四条 （建设单位职责） 建设单位保护道路地下管线的主要职责是： （一）明确该工程项目保护道路地下管线工作责任人； （二）核查施工单位编制的施工组织设计、保护道路地下管线方案、落实管线保护费用，并在开工前会同各管线权属单位组织召开该工程项目保护道路地下管线工作的专题会议，根据会议纪要及有关图档资料，向相关管线权属单位办理“上海市道路管线监护交底卡”(简称“交底卡”，样张见附件一)。向总包或分包的施工单位做好保护道路地下管线的(书面)交底工作； （三）委托第三方有资格的测量单位承担对道路地下管线施工的跟踪监测工作，进行信息化施工管理； （四）在向市建筑业管理办公室报建项目的同时，向市道监办填报“上海市建设工程道路管线安全保护承诺书”（承诺书样张见附件二）； （五）在该工程项目施工期间，督促施工单位落实保护道路地下管线方案，及时采取各项防范措施。 第五条 （施工单位职责） 施工单位保护道路地下管线的主要职责是： （一）编制施工组织设计（施工大纲），对相关管线权属单位的交底资料进行复核，制定保护道路地下管线的技术措施，并经各相关管线权属单位审定认可后方可进行施工； （二）进行信息化施工，加强对道路地下管线动态数据的监测，根据监测数据及时调整施工方案，确保道路地下管线的正常运行。一旦发生管线事故，应当及时报告相关管理部门，并积极主动地配合道路管线权属单位进行抢修，以缩小影响和减少经济损失； （三）施工时，施工管理人员必须向直接操作人员做好保护道路地下管线的交底工作；对原有道路地下管线情况不明、发现资料标明与实际管位有差异或者管线的埋设位置难以判断的，必须立即停止施工作业，在管线权属单位到现场监护并采取相应保护管线的技术措施后方可施工。擅自施工造成管线或设备损坏的，由施工单位承担赔偿责任，并接受相应的行政处罚； （四）施工组织设计变更必须具备完备的合法手续，应当及时通知所影响管线的权属单位 ； （五）在原有道路地下管线两侧各一米范围内，禁止使用机械开挖。 第六条 （管线权属单位职责） 管线权属单位保护道路地下管线的主要职责是： （一）制定及完善对权属道路地下管线的巡查制度和对监护员的考核制度； （二）向施工单位做好权属道路地下管线安全的宣传工作，增强保护道路地下管线的意识，并具体提供现场权属道路地下管线的准确资料，做好书面交底工作； （三）施工单位要求配合管线现场监护时，应当即时赶赴现场进行监护并指导施工单位采取保护权属道路地下管线的措施； （四）在对权属道路地下管线的巡查中发现违章施工作业或者危及权属道路地下管线正常运行时，应当及时向施工作业单位提出书面整改意见，并指导施工作业单位采取保护措施。一旦发生权属管线事故，应当及时抢修，防止事故的扩大，并按规定及时向有关部门报告。 第七条 （监测单位职责） 监测单位保护道路地下管线的主要职责是： （一）取得由国家或者省级测绘管理部门颁发的资格证书，并在其资质等级许可范围内承揽测绘工程； （二）根据国家和有关部门制定的标准和规范进行测量工作，确保工作质量，不得谎报、瞒报、误报监测数据； （三）因监测质量有误造成道路地下管线事故或其他事故的，由监测单位承担责任。 第八条 （监理单位职责） 监理单位保护道路地下管线的主要职责是： （一）审查施工组织设计（施工大纲）中管线保护技术措施是否符合工程建设强制性标准，审查施工组织设计变更并签章认可； （二