ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineeringVol．9Oct．2013
基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析
王成华，段贤伟
（天津大学建筑工程学院，天津300072）
*
要：为研究基坑开挖对于地下管线工作性状的影响，进而为管道安全评估与防护提供
参考依据，利用Plaxis3DTunnel建立基坑开挖中的土体与地下管线相互作用的有限元模拟模
摘
Soil模型，型。对土体采用Hardening-对管线及基坑支护结构与土之间均采用接触面单元，对不同管道数量和位置以及施工步骤、基坑尺寸对地下管线水平位移、竖向位移和内力的影响进行了大量的参数分析。结果表明在基坑支护结构、管线与土体相互作用下，墙背管线位移随基坑尺寸增大而增大，但其分布形态不变;管道距离地下连续墙越近，管道的位移则越大，而地面位移越小;管道数量越多，管道位移与墙背土体位移均越小;管线内力与变形与基坑开挖特性参数之间的关系是非线性的。
关键词：基坑开挖;地下管线;数值分析;Plaxis;工作性状中图分类号：TD853．34
文献标识码：A
0836（2013）05-1166-07文章编号：1673-
NumericalAnalysisontheInfluenceofFoundationPitExcavationsonthe
WorkingBehaviorofUndergroundPipelines
WangChenghua，DuanXianwei
（SchoolofCivilEngineering，TianjinUniversity，Tianjin300072，China）
Abstract：Toinvestigatetheinfluenceoftheexcavationoffoundationpitontheworkingbehaviourofburiedpipelinesandtoprovidegeneralreferencesforsafetyassessmentandprotectionofpipelines，a3Dfiniteelementmod-elforsimulatingtheinteractionofsoil-pipelineduringfoundationpitexcavationwassetupbyusingthesoftwarePlax-is3DTunnel．AHardening-Soilmodelwasadoptedtosimulatethestress-strainbehaviorofsoil，whileacontactsur-facemodelwasusedforsimulatingtheinteractionsbetweenpipelines，retainingstructuresandsoil．Thehorizontaldisplacement，verticaldisplacementandinternalforcesoftheundergroundpipelineswerestudiedthroughalargea-mountofparametricanalysisoftheinfluentialfactorssuchasdifferentnumberofpipes，pipelocation，constructionprocedures，andfoundationpitdimensions．Theresultsoftheanalysesshowthat，undertheinteractionbetweenretai-ningstructures，pipelinesandsoil，thelargeraretheexcavationdimensions，thelargerarethedisplacementsofthebutthepatternofdeformationdistributionremainunchanged；thedeforma-buriedpipelinesbehindtheretainingwall，
tionofapipelineincreases，butthedeformationatgroundsurfacedecreases，withthedecreaseofthedistancebe-tweenthepipelineandretainingwall；bothdeformationsofpipelinesandsoilwilldecreasewiththeincreaseinthenumberofpipes；therelationsbetweentheinternalforcesanddeformationofthepipelinesandthefactorsaregeneral-lynonlinear．
Keywords：excavation；undergroundpipelines；numericalanalysis；plaxis；workingbehaviour
*
07-01（修改稿）收稿日期：2013-），作者简介：王成华（1959-男，辽宁人，博士，教授，主要从事岩土工程、地下工程等领域的教学与科研工作。
E-mail：chwang@tju．edu．cn
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50978182）
2013年第5期王成华，等：基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析
1167
1引言
［1］
2
2．1
，其
有限元模型及计算参数
计算假定
近年来城市的地下空间开发和高层建筑的建产生大量的深基坑工程及地下管线工程设，
深度和规模不断增加以及相互影响问题日益突出。管线周围也会出现大量基坑工程以及大面积堆载，这使土体从初始应力状态改变，导致土体应力重分布，从而造成管道不均匀沉降进而变形开裂
［2］
采用有限元软件Plaxis进行模拟，计算基本假
匀质和连续定为：（1）计算域内土体为各向同性、
Soil模型，土体，模型采用Hardening-采用Mohr-Coulomb破坏准则；（2）地下连续墙、管道和横向支
撑采用线弹性模型，地连续墙采用实体单元，管道横向支撑采用锚杆单元；（3）对于土采用板单元，
体与结构物的接触面，设置无厚度的界面单元，界面强度采用强度折减因子Ｒinter来模拟；（4）不考虑地下水影响。2．2
计算模型
计算边界的选取原则是以达到基坑开挖不再产生变形影响的边界为止。挡土结构后面计算边界根据土体性质不同取1～2倍的挡土结构全高；基坑底面的计算边界，假设土体下边界为坚硬底层表面。根据工程经验及以往有限元计算结果，基坑
影响开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～4倍，
［2，10］
。基坑另一侧是深度约为开挖深度的2～4倍
否有管线对本模型的管线影响很小，故根据结构对
。
基坑开挖变形主要包括基坑底部隆起、墙体位移变形和挡土墙后土体沉降，这三者共同影响基坑周围地下管地下管线的工作。基坑工程周边的建筑物、线或隧道抵抗变形及不均匀变形的能力是有限度的。多年的深基坑工程实践中发现由于地下施工引起地层变形而损坏地面建筑或地下管线的现象经常出现，故基坑支护结构除满足强度要求外，还需满足相邻结构的变形要求
［3］
。因此，地下管线
受邻近基坑开挖影响已成为地下管线及基坑工程设计与施工中十分关心的重要问题之一。
国内外对开挖引起管线变形问题已开展了数值分析研究工作，取得了一些有益的成果。在国Vorster等对隧道开挖对邻近管线的影响进行外，了预测分析
［4］
；Calvetti等对管土相互作用进行了
［5］
称性及简化计算，模型取整体1/4进行分析。
计算结构具体选取情况如下：（1）计算域尺寸为60m×60m×50m，即墙背水平尺寸是基坑深度的3倍，模型竖向深度是基坑深度的4倍；（2）基50m×坑深为10m，横向尺寸分别为60m×60m，50m和40m×40m；地连续墙厚度d为3m，插入比为1∶1。（3）管道直径为3m；管道外壁埋深2m，贯穿整个模型，距离基坑最近3m，两管道外壁相距3m；（4）基坑在地表标高设一道横撑，支点设在基坑四边的中点；（5）如图1及图2所示，Z=0m的XOY坐标面为模型前面，Z=－60m的XOY坐标面为模型后面。（6）参加图1及图2，位移以与坐标系正向为正，反之为负。2．3
参数选择
本文有限元数值分析的计算参数取值参考了
［3，10，11］
若干文献报道的工程实例及Plaxis软件经验值
［12］
数值分析与试验研究地铁变形进行了分析分析析
［2］
；Sharma等通过实测与数
值分析联合的方法对临近地铁深基坑开挖导致的
［6］
；在国内，张梦喜等较早对
基坑开挖对地下管线影响问题进行初步的有限元
；李大勇等通过三维有限元方法对内撑式
基坑开挖对地下管线变形的影响规律进行了分
［7］
；蔡建鹏等采用简便的位移控制有限单元法
［8］
对分析了基坑开挖对邻近地下管线的变形和受力的影响行分析
。张培森曾运用数值分析方法针对在地。上述研究对认识管线与基坑相互影响
铁较远距离处的深基坑开挖对地铁变形的影响进
［9］
是有益的，对管线的工程设计有一定的参考意义，但这方面研究还处于初步探讨阶段，尤其是针对软土地区深基坑对输水管线的影响的基本规律性尚缺乏较为全面和深入的研究。
利用Plaxis3DTunnel建立完整的深基坑开挖三维有限元模型，主要模拟基坑开挖过程中支护结构、管道和土体的相互变形相互作用，考虑了不同因素对于管道位移及内力变化规律。
。土的标准排水三轴试验中的割线模量取
ref两倍的压缩模量，即E50=2Es，等向压缩下的切线refrefrefref模量Eoed=1．5E50，弹性卸载模量Eur=10E50。土的力学参数具体见表1；基坑支护结构与管道力学
参数分别见表2及表3。
1168
地下空间与工程学报
表3
Table3
管道力学参数
第9卷
Parametersofconstitutivemodelforthepipelines
计算参数
3
重度γ（kN/m）2
抗弯刚度EI（kNm/m）
数值783．55×1073．13×107
0．3
轴向刚度EA（kN/m）
泊松比ν
图1Fig．1
整体模型有限元网络划分图
在算例参数分析中，如无特殊说明，改变其中一个参数时其余参数保持不变。2．4
模拟步骤
根据基坑开挖过程，定义计算步骤为：（1）模拟管道运行，施加管道内水压，内水压力为0．5MPa，且考虑静水压力；（2）清除步骤1产生的位移，模拟地下连续墙施工；（3）开挖第一层土体，深度－3m；（4）激活基坑边界中间横撑；（5）开挖第二层土体，深度－3m；（6）开挖第三层土体，深度－4m。
Plaxis在模拟施工步骤中每个施工步都有相应的加载条件、边界条件和计算结果。
Finiteelementnetworkofthewholemodel
图2Fig．2Table1
模型平面布置图及分析截面表1
土的力学模型参数
数值18．5193、5、7102000．6
PlanofmodelandthereferentialsectionParametersofconstitutivemodelforthesoil计算参数
3
3．1
计算结果分析
管道数量影响
分别选取无管道、单管道和双管道的有限元模
3
天然重度γ（kN/m）3
饱和重度γsat（kN/m）
单管模型的管道和双管模型的右侧管道型计算，
（靠近基坑的一侧管道）位置相同。对于双管模型，讨论靠近基坑一侧的管道，选取截面位置为图2中Z=－42m处的XY面（本文如未作说明，截比较其位移规律。面均选取此截面），
图3给出Es=5MPa土体内墙背地表水平位移。由图3可见：随着与地连续墙的距离增大，地面水平位移逐渐减小；无管道情况位移最大，单管
双管最小，但是双管与单管相差不大，最大值次之，
都出现在地连续墙附近；墙背5m范围内土体位移
5m以外水平位移随着曲线斜率较大，变化剧烈，
距离的变化曲线趋于平缓；基坑开挖对墙背地表水
平位移的影响范围约在20m左右，即两倍基坑深度。
7
压缩模量Es（MPa）粘聚力c（kPa）内摩擦角φ（°）外摩擦角ψ（°）折减因子Ｒinter
表2
Table2
基坑围护结构参数
Parametersofconstitutivemodelfor
retainingstructures计算参数
数值25
3
3
重度γ（kN/m）
地连续墙弹性模量E（kN/m）
横撑轴向刚度EA（kN）
泊松比ν
2．0×10
2．0×106
0．2
图4为Es=5MPa的土体内墙背后地表竖向地下连续墙附近位移有向上趋势，最大值出位移，
现在2～5m之间，单管墙背竖向位移分布较平缓，双管墙背竖向位移出现最大值后迅速衰退。
以上两图说明，管道对于基坑墙背位移都有削
2013年第5期王成华，等：基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析
1169
弱作用，管道阻止了管道外侧土体向基坑内位移和
沉降，并且越靠近基坑的管道影响越明显。破坏。
3．2管道位置影响
选取双管模型，如图6所示，分析比较左右两个管道的位移情况，右侧管道为靠近基坑一侧的管道，左侧管道为远离基坑的管道。
管道位移规律明显不同于墙背地表位移，管道最大值出现在基坑中点即横撑处。右侧管道位移明显大于左侧管道，其中水平位移较大，竖向位移很小，基坑开挖中需要特别注意由于水平位移太大而导致的管道破坏。
图3
Fig．3
墙背地表水平位移
Horizontaldisplacementofretainingwallsurface
图6
Fig．6
图4
Fig．4
墙背地表竖向位移
管道位移
Displacementofpipelines
Verticaldisplacementofretainingwallsurface
再选取管道中心距离地下连续墙d=3．5m的单管有限元模型和管道距离地连续墙d=6．5m的单管有限元模型以及无管道模型计算对比，墙背地表位移计算结果如图7和图8，管道位移如图9。
图7给出管道处于不同位置时墙背地表的水平位移对比情况。由图7可见，虽然地表水平位移分布总体规律大致相同，但是有管道存在时地面位移小，管道距离墙背越近地表变形越小。说明在基管道-土体相互作用条件下，坑外管道相当于土坑-内水平梁起到减少土体水平侧移作用。
图5给出两种模型的管道位移情况对比，双管
与单管模型模型取的是靠近基坑一侧的管道，一致。
图5
Fig．5
不同管道模型的管道位移
Displacementofpipelinesindifferentmodels
从图5可见，单管模型的管道水平位移及竖向
位移明显要比双管模型要大，这是因为双管模型的另一管道也起阻止土体向基坑方向产生位移，从而同时也阻止了管道的位移。大口径的管道数量影响了管道产生的位移，如果有更多的管道，基坑边的土体就相当于增加了许多刚度较大的筋材，土体和管道协调变形，从而减小了总体的位移，但是这会使管道承担更大的弯矩，如果管道的接口刚度不够，就会很容易造成接口的变形破裂，从而管道
图7
Fig．7
墙背地表水平位移
Horizontaldisplacementofretainingwallsurface
图8给出管道位于不同位置下墙背地表竖向
d=6．5m时管道已不再影响地表沉降位移对比，
最大值，而是减小远端的地表沉降，地表沉降衰减
最大迅速。d=3．5m时影响地表沉降非常明显，
1170
地下空间与工程学报第9卷
竖向位移相对无管道时减少了40%，而且曲线趋于平缓。
图8
Fig．8
墙背地表竖向位移
Verticaldisplacementofretainingwallsurface
图10Fig．10Table4施工步123456
模型ABCDEF计算点位置PositionofcheckpointsABCDEF表4
施工步说明
图9给出管道位移情况的对比，管道距离地连续墙的远近对管道竖向位移影响不大，数值都非常d=3．5m小，而且分布一致。水平位移差值较大，
时管道最大水平位移几乎是d=6．5m时的一倍，说明距离对管道水平位移的影响非常大，距离地下连续墙越近，水平最大位移增长的越快。
Constructionstepsofthepitexcavation
计算步备注1-1
激活管道，施加管内水压清除步骤1产生的位移0．5m厚连续墙场，开挖3m深X向Z向各一个开挖3m深
步骤名称模拟管道运行
3地下连续墙施工2-开挖第一层土横撑施工
4-56-8
10开挖第二层土9-
14开挖4m深开挖第三层土11-
图9
Fig．9
管道位移
Displacementofpipelines
3．3
施工步骤的影响
模型采用Es=5MPa土体下双管模型，管道直
径3m。选取截面亦见图2，选取六个代表性点的B点分别是管道正上方地表点，C、D、E点位置A、
F点是基坑底是分别是地连续墙顶部中部和底部，
50），B（25．5，50），C部正中。其坐标为：A（19．5，
（30，50），D（30，40），E（30，30），F（60，30），如图
10所示。施工步骤与Plaxis计算步骤对应见表4。
图11表示A—F六点水平位移随Plaxis计算
B以及基坑底部步发展情况。管道上方地表点A、
地连续墙点D直至开挖第三层土产生较大水平位
移；地连续墙墙顶位置C从开挖第二层土开始才并且是最终产生最大水平产生较明显的水平位移，
位移的点；连续墙墙底E点水平位移很小；基坑坑底中间位置F点在整个施工过程中无水平位移。
图11
Fig．11
计算点水平位移
Horizontaldisplacementofcalculationpoints
图12是A—F六个点竖向位移随Plaxis计算步发展情况。地表A点和B点在开挖第三层土之前沉降一直不明显，到开挖第三层土后，沉降迅速
C和D点是地连续墙上的点，增大；B、竖向位移保持一致；F点从开挖第一层土后便产生回弹，随着
施工的进行，回弹保持增大趋势，第一层土开挖坑第二层土坑底开挖回弹底回弹占总回弹的23%，占总回弹的29%，第三层土开挖回弹占总回弹的48%。
图13给出管道竖向位移和水平位移随着Plaxis计算步的变化曲线。从图中可知右侧管道
2013年第5期王成华，等：基坑开挖对地下管线工作性状影响的数值分析
1171
图12
Fig．12
计算点竖向位移
Fig．14
图14墙背地表水平位移
Verticaldisplacementofcalculationpoints
Horizontaldisplacementofretainingwallsurface
水平位移始终比左侧管道大，竖向隆起和沉降都也
比左侧管道大，因为右侧管道距离地连续墙更近。在开挖第三层土之前，管道位移都较小；到开挖第三层土后，管道水平位移迅速增大，管道也开始向下移动。
图15
Fig．15
墙背地表竖向位移
Verticaldisplacementofretainingwallsurface
增大110%。
图13
Fig．13
管道位移
Displacementofpipelines
3．4
基坑尺寸的影响
50m×50m和60m×60m选取40m×40m、
图16
Fig．16
的基坑开挖模型，取图2中Z=－42m处截面。图
14和图15给出在没有管道情况下Es=5MPa土
随着基坑体下不同尺寸基坑开挖下地表位移对比，尺寸的增大，所产生的水平位移和竖向位移也相应
增大，相对边长a=40m的基坑最大位移，边长a=50m的基坑水平位移最大值增大65%，竖向最大位移增大60%，边长a=60m的基坑水平最大位
竖向最大位移增大150%。最大水移增大150%，
平位均在地连续墙附近，最大竖向位移出现在墙背
5m左右，影响范围均在墙背20m左右。基坑开挖影响范围主要取决于基坑开挖深度。由上图可知，墙背地表位移最大值与基坑尺寸有关；要注意根据基坑尺寸确定墙背水平位移和竖向位移最大值处位置并注意重点保护该处地下管线。图16和图17分别给出在有双管道存在的情况下Es=5MPa土体靠近基坑的一侧管道水平及竖向位移。不同基坑尺寸下管道的位移比较，相对
a=50m的水平于边长a=40m的基坑水平位移，
a=60m的水平位移最大值位移最大值增大60%，
管道水平位移
Horizontaldisplacementofpipelines
管道竖向位移都非常小，说明管道位移与墙背
地表位移不一致，因为管道没有明显的支持点，最大水平位移仍然发生在基坑边界中点处；管道深度越大，位移越不明显，说明基坑开挖对地下管线的影响主要体现在水平位移上。
图17
Fig．17
管道竖向位移
Verticaldisplacementofpipelines
1172
地下空间与工程学报
2005，131（11）：1399-1410．
第9卷
4结论
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通过建立模拟基坑分步开挖对地下既有管线
影响的有限元模型，分析基坑、土体及管道的协调变形，可以得出以下结论：
（1）基坑尺寸越大，墙背土体产生的位移也越大，但是位移形态与最大值出现的范围保持不变。（2）管道纵向中部施工中的管道敏感部位，其位移变化率最大；基坑边界中部的管道位移及弯矩最大，易发生破坏。（3）管道距离地下连续墙越近，管道位移则越大而墙背土体位移越小；管道的位移形态与墙背土体的位移形态并不完全一致。
（4）管道数量越多，阻止管道外侧土体产生位移的能力越强，墙背土体位移越小，管道位移也越小。
（5）土体和管道的位移是到某一施工步突然
基坑开挖对地下管线的影响主要体现在水增大的，
平位移上，这与基坑支护结构设置有着密切联系。
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