深基坑開挖對鄰近地下管線影響數值分析

摘要：【目的】為明確深基坑開挖對鄰近地下管線位移變化的影響。【方法】依托南昌四號線某深基坑工程，采用FLAC 3D軟件對基坑動態施工全過程進行模擬，分析內支撐條件下不同管材、管徑、埋深、埋距對管線位移的影響，并利用現場變形監測數據進行對比驗證。【結果】研究結果表明，內支撐在基坑施工過程中對鄰近管線的位移起到良好的限制作用?；娱_挖過程中，管材和管徑的變化主要影響管線的沉降。【結論】不同類型管材剛度不同，剛度越大，管線抵抗土體變形能力越強。管線的沉降變化量與管徑變化量呈負相關。管線的埋深對管線的水平位移影響顯著，管線的水平位移隨埋深增加呈現先增大后減小的非線性變化，并在管線埋深接近1/2基坑設計深度時達到最大。在遵循單一變量的原則下，埋距不同的管線在位移影響范圍上存在差異，相較于管線沉降，基坑開挖對鄰近管線的水平位移影響范圍更大。

關鍵詞：深基坑；地埋管線；內支撐；數值模擬；管線位移

中圖分類號：TU470 文獻標志碼：A

本文引用格式：孫欣，胡文輝，徐鑫洋，等. 深基坑開挖對鄰近地下管線影響數值分析[J]. 華東交通大學學報，2024，41（4）：11-20.

Numerical Analysis of the Influence of Deep Foundation Pit Excavation on Adjacent Underground Pipelines

Sun Xin1， Hu Wenhui2，3， Xu Xinyang2，3， Kang Wenhan2，3， Zhang Haina2，3， Yu Ling2，3

（1. Jiangxi Ganyue Expressway Engineering Co.， Ltd.， Nanchang 330006， China; 2. Jiangxi Key Laboratory of Disaster Prevention-mitigation and Emergency Management， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China; 3. School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013， China）

Abstract： 【Objective】In order to study the displacement variation law of adjacent underground pipelines during the excavation of deep foundation pits. 【Method】Based on a deep foundation pit project of Nanchang No.4 line， FLAC 3D software is used to simulate the whole process of dynamic construction of foundation pit， and the influence of different pipe materials， pipe diameter， buried depth and buried distance of internal support on pipeline displacement is analyzed. And the field deformation monitoring data are used for comparison and verification. 【Result】The results show that the internal support plays a good role in limiting the displacement of the adjacent pipeline during the construction of the foundation pit. In the process of foundation pit excavation， the change of pipe material and pipe diameter mainly affects the settlement of pipeline. 【Conclusion】The stiffness of different types of pipes is different. The greater the stiffness， the stronger the pipeline's ability to resist soil deformation. The settlement variation of the pipeline is negatively correlated with the variation of the pipe diameter. The buried depth of the pipeline has a significant effect on the horizontal displacement of the pipeline. The horizontal displacement of the pipeline increases first and then decreases with the increase of the buried depth， and reaches the maximum when the buried depth of the pipeline is close to 1/2 of the design depth of the foundation pit. Under the principle of following a single variable， there are differences in the influence range of displacement of pipelines with different buried distances. Compared with pipeline settlement， foundation pit excavation has a greater influence range on the horizontal displacement of adjacent pipelines.

Key words： deep foundation pit; buried pipeline; internal support; numerical simulation; pipeline displacement

Citation format： SUN X， HU W H， XU X Y， et al. Numerical analysis of the influence of deep foundation pit excavation on adjacent underground pipelines[J]. Journal of East China Jiaotong University， 2024， 41（4）： 10-20.

【研究意義】隨著城市化進程的深入發展，地下空間被不斷開發利用，由此產生了大量深基坑工程和地下管線工程。而深基坑在開挖過程中，不可避免地會對鄰近地下管線及周邊構筑物設施造成破壞，影響人們的正常出行和生活。因此有必要就基坑開挖對鄰近地下管線的影響進行分析，從而達到指導施工、保護管線的目的[1-3]。

【研究進展】針對深基坑施工對鄰近管線及建筑物的影響問題，國內外學者主要采用理論研究、現場監測和數值模擬等方法進行了一系列的研究。在理論研究方面，彈性地基梁模型作為一種理論模型，在研究地下管線變形問題中得到了廣泛運用。姜崢[4]依據彈性地基梁模型提出基坑施工引起管線變形，并推導了相應的內力解析式。Zhang等[5]基于Mindlin[6]解和Winkler彈性地基梁理論提出了用于分析基坑施工對鄰近管線影響的兩階段簡化理論法。何小龍等[7]在考慮管土分離影響下，依據彈性地基梁理論和管-土分離計算模型推導了基坑施工誘發鄰近管線產生變形的計算解析解。然而，上述基于傳統彈性地基梁模型的研究中存在忽視內部微觀結構之間非局部長程相互作用力的缺陷，目前針對非局部效應問題，已有學者作出了相關研究[8-10]。如Ke等[11]利用建立的非局部Timoshenko梁模型研究了壓電納米梁的非線性振動問題。張大鵬等[12]基于非局部Euler梁理論和Hamilton原理建立黏彈性基體中壓電納米梁的熱-機電振動特性分析模型。此類研究為解決傳統地基梁忽視非局部效應的問題提供了指導，使得考慮非局部效應的精準模型的建立成為了可能。在現場監測方面，劉紅巖等[13]利用現場地表沉降曲線對基坑施工范圍內的鄰近管線進行了位移計算，以現場監測方法解決了工程實際問題。韓煊等[14]通過對大量地下管線監測數據的分析，提出了在連續管線的位移和內力預測上進行剛度修正。鄒淼等[15]以西安某地鐵站項目為工程背景，基于現場監測數據分析了基坑開挖與鄰近地下管線之間的響應情況。王立峰等[16]結合地鐵深基坑管線實測數據，研究了基坑施工對鄰近地下管線的變形影響規律。在數值模擬研究方面，由于工程施工的一次性特點，大多數學者熱衷于用數值模擬的方式探究管線在基坑開挖中不同管線因素條件下的位移變化規律[17]。

杜金龍等[18]通過用FLAC 3D模擬基坑施工，分析了管線直徑對管-土接觸面的影響，提出了深基坑施工過程中小管徑變形受力的計算評估方法。王冬至等[19]用FLAC3D模擬基坑的施工工況，研究了基坑施工過程中誘發管線損傷的影響因素，得出不同工況下管線的損傷級別，為地下管線是否發生損傷泄漏提供了判據。王洪德等[20]采用FLAC3D建立管線-土層-基坑三維有限差分模型，探究了圍護結構模量、管線因素以及管線位置在基坑施工過程中對鄰近地下管線的力學、變形行為規律。

【創新特色】綜上所述，國內外學者針對單一地質條件下的小型基坑開挖對鄰近管線的相關影響有著較為豐富的研究，但對于地下連續墻+不同內支撐復合支護體系下基坑開挖對鄰近既有管線位移變化的影響研究較少，已有的研究也未成體系。因此，本文以南昌市地鐵四號線某深基坑工程為背景，在數值模擬上采用Beam單元+Interface單元（Interface單元用來考慮土體與地下連續墻之間的接觸特性）的組合模擬支護結構的支撐作用，針對復雜地質條件下大型深基坑開挖和地下連續墻+不同內支撐復合支護體系下基坑開挖對鄰近既有管線的影響開展研究?！娟P鍵問題】本文基于基坑中部剖面建立三維數值計算模型，采用FLAC 3D軟件對基坑動態施工全過程進行模擬，分析內支撐條件下不同管材、管徑、埋深、埋距對管線位移的影響。同時，結合現場監測數據，利用管線的位移結果驗證了現場所選擇支撐結構體系的合理性，并為基坑開挖過程中鄰近地埋管線的重點監測和保護提供了指導，在深基坑開挖方案的安全分析上具有一定的指導意義。

1 工程概況

南昌市地鐵四號線某車站為地下二層島式車站，車站主體結構凈長495.6 m，標準段凈寬18.3 m，基坑深度17.0～18.9 m。為確?；臃秶鷥鹊拈_挖安全，車站主體基坑采用地下連續墻加3道內支撐的圍護方案，其中地下連續墻基本墻幅6.0 m，墻厚800 mm，接頭采用工字鋼接頭。第一道為鋼筋混凝土支撐（斷面尺寸800 mm×1 000 mm，間距約9 m），其余支撐為直徑609 mm、厚16 mm的鋼管支撐，標準段結構剖面見圖1。車站土層情況及基坑周圍管線分布情況如圖2所示，車站場地的工程地質情況復雜，基坑開挖范圍內存在素填土、粉質黏土、淤泥質黏土、強風化泥質粉砂巖及中風化泥質粉砂巖5種土體，并且基坑邊坡范圍內的層段土體以素填土、粉質黏土和淤泥質黏土為主，其自立性較差。淤泥質黏土只有少部分位于車站東側端頭地面，所以建模時不考慮該土層。基坑范圍內水文情況同樣復雜，存在上層滯水、第四系松散巖類孔隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水三種地下水。并且為保證基坑順利開挖，項目現場采取了坑外載、排水施工以及基坑內排水等一系列措施。但由于水文情況復雜，地下水的考慮不利于分析基坑開挖對鄰近管線的影響，所以建模時不考慮地下水的影響，認為地下水降至地表以下18 m。此外，基坑周圍管線為給水管線、燃氣管線、雨水管線和污水管線。

2 三維有限元模型的建立

2.1 計算模型與邊界條件

基坑的開挖深度為16.934 m，寬度19.7 m。由理論分析可知，基坑鄰近地下管線的最大變形發生在基坑中部的剖面[21]。本文基于平面應變理論，選取基坑中部剖面進行深入分析。為消除邊界的相關影響，現選取計算寬度120 m、深度40 m以及單位長度作為厚度建立模型。模型由地層、圍護結構以及管線組成，其中圍護結構是地下連續墻和3道內支撐，管線則分別是給水管線、燃氣管線、污水管線以及雨水管線。

2.2 模型的計算參數

根據前期的南昌地區土工試驗結果[22]及《工程巖體分級標準》（GB/T 50218—2014）確定巖土體參數，巖土體采用以摩爾-庫倫屈服條件為破壞準則的理想彈塑性模型，各土層物理力學參數指標見表1。

根據實地監測資料以及市政管線相關規范，地下管線的相關計算參數見表2。

2.3 基坑施工階段模擬

根據實際施工階段，設置以下施工工況。

工況1：基坑開挖前進行前先進行初始地應力的平衡計算，獲取土體的初始應力場；位移清零。

工況2：破除路面，整體清除表層土方，挖至地表以下1.581 m，在地表以下1.081 m處施做第一道混凝土支撐。

工況3：開挖至地表以下5.081 m。

工況4：開挖至地表以下8.434 m，在地表以下7.934 m處施作第一道鋼支撐。

工況5：開挖至地表以下13.434 m，在地表以下12.934 m處施作第二道鋼支撐。

工況6：開挖至地表以下16.943 m，施作防水墊層并澆筑底板。

3 數值模擬計算結果分析

基坑采用地下連續墻加3道內支撐的圍護方案，這對于保證基坑側壁穩定以及減小鄰近管線的位移具有重要作用。為了深入探討內支撐結構在基坑開挖過程中對鄰近管線位移的限制作用，下面在相同工況下對基坑開挖過程中有、無內支撐時的管線位移進行對比分析。

3.1 不同支撐方案下管線沉降數值模擬計算結果分析

圖3為基坑鄰近管線在有、無內支撐條件下的沉降曲線，通過對比發現，基坑內支撐的存在對鄰近管線的沉降具有顯著的限制作用。由圖3（a）可知，在無內支撐的情況下，管線的沉降變化量與管線距基坑邊緣的距離變化量表現為負相關性，基坑鄰近各管線的沉降量隨著基坑開挖深度的增加逐漸增大，整體表現為給水管線gt;雨水管線gt;燃氣管線gt;污水管線，其中給水管線處沉降最大，沉降為-266 mm。通過對比管線變形規范，給水管線的最大沉降量超過管線變形允許范圍，可能導致管線破壞；圖3（b）為基坑在有內支撐時的管線沉降曲線，各鄰近管線沉降量隨著基坑開挖的進行逐漸增大并在接近基坑開挖至設計深度的1/2位置處達到峰值，隨著開挖的進行，管線的沉降趨近于穩定。此外，管線的沉降整體表現為燃氣管線gt;雨水管線gt;給水管線gt;污水管線，管線的最大沉降量較于無內支撐時顯著減小，同樣以給水管線為例，管線在有內支撐條件下的最大沉降量僅為無內支撐時的1%。

3.2 不同支撐方案下管線水平位移數值模擬計算結果分析

圖4為基坑周邊管線在有、無內支撐條件下的水平位移曲線，通過對比發現，基坑內支撐的存在對鄰近管線的水平位移同樣具有顯著的限制作用。由圖4可知，基坑在無內支撐的條件下，各鄰近管線的水平位移量均隨著基坑開挖的進行逐漸增大，基坑兩側的地下管線均向基坑方向產生水平位移。按照水平位移量進行分析，整體表現為給水管線gt;雨水管線gt;燃氣管線gt;污水管線，其結果符合距離基坑位置越近，水平位移量越大的規律。但從水平位移的變化情況分析發現：各工況之間的水平位移差量隨著開挖深度的增加逐漸增大，位移曲線的曲率則隨著開挖深度的增加逐漸減小，出現這種現象的主要原因是基坑開挖引起了基坑結構的位移變形。圖中近乎重疊的曲線為管線在有內支撐條件下的水平位移，經過分析可知，管線水平位移量隨著基坑開挖的進行逐漸增大，整體表現為燃氣管線gt;雨水管線gt;給水管線gt;污水管線，并在基坑開挖至設計深度的1/2位置附近達到峰值，隨著后續開挖的進行，基坑鄰近所有管線的水平位移量也逐漸趨近穩定，最終均穩定在2 mm的范圍以內，不會發生破壞。

3.3 數值模擬與監測結果驗證分析

前人在不同開挖時間和空間上進行了數值模擬計算，并與實際監測結果進行對比，分析了深基坑開挖過程中鄰近管線的時空效應[23-26]。圖5為基坑中部剖面的現場實測沉降曲線和數值模擬沉降曲線，由圖中可知，兩種沉降曲線的變化規律以及沉降量的變化范圍基本相符，并且管線的沉降量不大，均符合規范要求。由于模擬基坑開挖的過程中，數值模型未能考慮基坑施工過程中對土體擾動及基坑周邊部分的動荷載作用，導致管線在部分工況下的實測值大于模型的計算值，但管線的最終實測沉降量與計算沉降量數值接近，像給水管線、燃氣管線、雨水管線的最終模擬沉降量與實測位移量的相差值分別為0.45，0.47，0.05 mm，對于模擬效果不明顯的污水管線，實測值與計算值的差值也保持在1.5 mm以內。以上結果說明數值模擬計算結果比較可靠，其規律可以為現場施工起到很好的參考作用[27]。

4 管線因素對管線位移的影響

為明確深基坑開挖誘發既有管線變形的影響因素，本文選取不同材質、埋深、直徑及埋距等因素，分別建立三維數值模型，分析其對管線沉降及水平位移的影響。

4.1 不同管線材質

選取4種不同材質管線（球墨鑄鐵管、PE管、鋼筋混凝土管和鋼帶波紋管），對不同材質管線在直徑1 000 mm、埋深3 m、距離基坑邊緣6 m條件下的沉降和水平位移進行分析，研究其變形情況。

由圖6可知，管線的沉降量隨著基坑開挖的進行先增加后趨于穩定，最終沉降表現為鋼帶波紋管gt;PE管gt;鋼筋混凝土管gt;球墨鑄鐵管，其原因是各個管線具有不同的材料性質以及彈性模量。材料的彈性模量決定材料的剛度，在管-土的組合體系中，管線的剛度反映管線對土體變形抵制能力，管線剛度越大，管線對土體發生變形的約束作用越強。結果中鋼帶波紋管與PE管的強度差別較小，同時表現出相近的最大沉降，說明二者具有相近的抵抗土體變形能力。由圖7可知，隨著基坑開挖的進行，不同材質管線的水平位移量逐漸增大，并且相應的4條水平位移曲線十分接近，最終水平位移規律也基本相同，得出管線材質對于基坑開挖過程中管線的水平位移幾乎沒有影響。

4.2 不同管線直徑

選定距離基坑邊緣6 m、埋深3 m條件下的混凝土管進行分析，研究管線管徑分別為200，500，800，1 000，1 200，1 500 mm時的變形情況。

由圖8，圖9可知，管線的沉降量和水平位移量隨著基坑開挖深度的增加先增大，后趨于穩定。管線的沉降變化值和管徑變化表現為負相關性，即隨著管徑的增大，管線的沉降量逐漸減小，相較于管材在基坑開挖過程中對管線沉降的影響，管徑對管線沉降的影響更為顯著。出現此類結果的原因主要是管線的截面面積直接影響到管線慣性矩的大小，截面面積越大，管線的慣性矩越大，管線所能抵抗的變形越大。對于管線的水平位移，隨著基坑開挖的進行，管線的水平位移量逐漸增大，同樣在接近基坑設計開挖深度1/2位置處達到最大，隨著開挖深度的進一步增加，管線的水平位移逐漸趨于穩定。其中各管徑的管線位移曲線近乎重疊且其位移量均小于沉降量，得出管徑的改變在基坑開挖過程中對鄰近管線的水平位移影響微小，并且較管線沉降而言，改變管徑對管線沉降的影響效果更為顯著。

4.3 距地表不同埋深

選定管徑為1 000 mm、距離基坑邊緣5 m條件下的混凝土管進行分析，保持其他因素不變，研究管線在埋深分別為2，4，6，8，10，12，16 m時的變形情況。

由圖10可知，隨著基坑的開挖進行，管線埋深位于2～8 m范圍時管線的沉降先增大，并在基坑開挖至設計深度的1/3位置處達到峰值，隨著開挖深度的進一步增加，管線的水平位移趨近于穩定；管線埋深位于10～16 m范圍時，管線的沉降均趨近于零，說明管線埋深在基坑設計深度以下1/2部分范圍時，不同開挖工況對管線的沉降基本無影響。由圖11可知，隨著基坑的開挖進行，管線的水平位移逐漸增大并在接近基坑開挖至設計深度的1/3位置處達到最大，隨著開挖深度的進一步增加，管線的水平位移趨近于穩定。由圖11和圖12可知，隨著管線埋深的逐步增大，管線的水平位移先增大后減小，在管線埋深大概位于基坑設計深度的1/2位置處達到最大。由此可以推測，埋深在鄰近1/2基坑設計深度時，地下連續墻接近形變的至高點，需要加強相關的監測與保護。

4.4 距基坑邊緣不同距離

選定管徑為1 000 mm、埋深3 m條件下的混凝土管進行分析，保持其他因素不變，研究管線在距基坑邊緣距離分別為2，4，6，8，10，12，16，20 m時的變形情況。從圖13和圖14可知，隨著基坑的開挖進行，管線的沉降量和水平位移量逐漸增大，并在接近基坑設計開挖深度1/3位置處達到最大，隨著基坑開挖深度的進一步增加，管線的水平位移和沉降都逐漸趨于穩定。此外，管線的沉降與水平位移變化趨勢存在相似的規律，即二者數值隨著管線到基坑邊緣距離的增加而減小，并且隨著基坑開挖深度的增加趨勢愈發明顯。管線在距離基坑邊緣為4 m時沉降達到最大值4.25 mm，20 m時趨近于0；管線的水平位移在管線距離基坑邊緣4 m時同樣達到最大值2.268 mm，20 m時趨近為1 mm?；诠芫€在距離基坑20 m處依然存在近1 mm的水平位移，得出基坑開挖對鄰近管線的水平位移有著更大的影響范圍。

5 結論

本文通過對基坑中部剖面所建立的數值模型進行分析，基于實測數據重點討論了深基坑開挖對鄰近管線的影響問題，并分析了內支撐條件下不同管線因素對管線位移的影響，得出主要結論如下。

1） 通過對比有、無內支撐條件下的鄰近管線位移發現，內支撐的存在能夠有效地減小管線位移。以發生最大位移的給水管線為例，管線在無內支撐時管線的最大沉降量與水平位移量達到266 mm和295 mm，而在有內支撐條件下管線的最大沉降量與水平位移量僅達到3.6 mm和2 mm。

2） 基坑開挖過程中，在其他因素不變的情況下，管材和管徑的變化主要影響管線的沉降。不同類型管材剛度不同，剛度越大，管線抵抗土體變形能力越強。管線的沉降變化量與管徑變化量呈負相關，管徑越大，管線沉降量越小。

3） 管線的埋深對管線的水平位移影響顯著，隨著管線埋深的逐漸增大，管線的水平位移呈現先增大后減小的非線性變化，并在管線埋深接近1/2基坑設計深度時達到最大。

4） 在遵循單一變量的原則下，管線在距離基坑20 m處的沉降趨近于0，但依然存在近1 mm的水平位移。由此可知，相較于管線沉降，基坑開挖對鄰近管線的水平位移影響范圍更大。

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第一作者：孫欣（1978—），男，高級工程師，研究方向為公路工程管理。E-mail：710888614@qq.com。

通信作者：張海娜（1992—），女，講師，博士，碩士生導師，研究方向為邊坡工程。E-mail：2639757649@qq.com。