基坑開挖對地下管線損傷評估的研究

王冬至++彭功勛++魏立新等

摘 要：通過用FLAC3D分析軟件模擬基坑分步開挖，獲得影響管線損傷的若干指標，然后運用綜合模糊評判的方法和采用最大隸屬度的原則，得出每層開挖后管線損傷級別，并對該工程地下管線是否發(fā)生損傷泄露做出評判，今后的實際工程應用提供參考依據(jù)。

關鍵詞：模糊評判 基坑開挖 地下管線 損傷評估

中圖分類號：TU473.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0095-05

隨著城市化的發(fā)展，城市密集區(qū)出現(xiàn)越來越多的深基坑工程，開挖時不可避免的影響到周圍的地下管線，打破原有的土體應力平衡，土壓力作用在管線上，繼而導致管線發(fā)生側移和不均勻沉降，甚至會導致管線泄露，造成經(jīng)濟損失，影響百姓生活。

關于這方面的理論或試驗研究的內容多以考慮個別因素為主，缺乏多因素下地下管線變形損傷的影響因子綜合評判分析研究，因此，需要針對地下管網(wǎng)建立起多因素耦合作用下的變形損傷評估方法，以確?；娱_挖時地下管網(wǎng)運行的可靠性和有效性，避免出現(xiàn)極端不利的危害性后果。

1 工程概況及模型建立

肇慶市城建投資開發(fā)集團有限公司擬建安逸新天地項目，建設場地位于廣東省肇慶市端州區(qū)新元西路（77區(qū)）。總建筑面積約58000 m2，設地下室3層。基礎形式擬采用樁基礎，工程重要性為二級?；又荛L約458 m，±0.000（結構）高程為8.0 m，場地地面相對標高為-0.6 m（高程7.4 m），底板底標高為-12.6 m（底板0.7 m厚），外加0.1 m的墊層，基坑開挖至-12.7 m，基坑開挖深度為12.1 m。電梯井部位超挖1.6～2.1 m，所在部位距離基坑側壁有一定距離，土質為粉質粘土，自然放坡即可。

本基坑周邊環(huán)境如下：管線及市政道路位于基坑北側東西兩面，其中基坑北側東面為新元路，距離基坑開挖內邊線（下同）約6.0 m為綜合管線，距離17 m為DN400供水管道，距離22 m為雨水管道；北側西面為疊翠路，距離基坑開挖內邊線約6.0 m為D400污水管及綜合管線，距離24 m為D400雨水管；基坑南側、西側為別墅群，均為鉆（沖）孔樁基礎，其中南側東面、中部、西側分別距離基坑開挖內邊線約13 m、20 m、8 m為建筑邊線。

基坑尺寸為3000 mm×2500 mm ×900 mm，在對管線、基坑護坡樁、基坑支撐進行相似性計算和分析的基礎上，按照1∶20的比例對縮尺模型進行設計，基坑模型基坑模型軸視圖見圖示，數(shù)值分析模型。

依照模型尺寸用FLAC3D分析軟件建模，建模時以下圖最外底點為坐標原點，取沿長邊方向為X軸正方向，取沿短邊方向為Y軸正方向，豎直向上方向為Z軸正方向。在建模、賦材料屬性、邊界條件等步驟完成后，在基坑開挖施工之前，首先計算土體的初始應力場和初始位移場，即讓模型達到初始平衡，此時產(chǎn)生的位移場應該在后續(xù)開挖階段的位移場中減去，因為在現(xiàn)實中初始位移早就結束，對基坑開挖沒有影響，也就是計算開挖時位移必須清零。之后每次開挖75 mm，分8次開挖完成，其中第二次和第四次開挖后進行支護。

2 評判指標及模型分析數(shù)據(jù)

在現(xiàn)有文獻中，對地下管線的損傷評判大都以變形作為指標，但變形指標大都沒有具體考慮管線的材料，故本文采用應力和土壓力差等四種指標對地下管線損傷進行評判。

本評判問題的指標集。其中，為管線上下兩側豎直土壓力之差（凈土壓力差）；為管線左右兩側水平土壓力之差；為管線最大縱向彎曲應力；為管線最大環(huán)向應力。

3 評價等級及隸屬度函數(shù)

設定評價等級的依據(jù)：首先得到各項指標在10種工況下（包括八次開挖和兩次支護）的應力值；其次分別縱向分析各項指標在10種工況下的變化規(guī)律，根據(jù)所測得數(shù)據(jù)應盡可能均勻分布在各個等級區(qū)間的原則去劃分評價等級。具體來說，先在十種工況中找到最小的數(shù)據(jù)，選定某個與此數(shù)據(jù)接近的值作為第一級區(qū)間分界值，然后等差確定其它等級區(qū)間的分界值；選取的公差應使得第五級區(qū)間的分界值與十種工況數(shù)據(jù)中的最大值接近。

各等級（綜合評判后的等級）對應的變形損傷情況：一級表示管線基本沒有變形，管線處于絕對安全狀態(tài)；二級表示管線受到較小擾動，發(fā)生較小變形，管線處于安全狀態(tài)；三級表示管線發(fā)生相對較大變形，但仍沒有超出管線極限應變，管線仍處于較安全狀態(tài)；四級表示管線發(fā)生較大變形，已接近管線極限應變值，處于相對不安全狀態(tài)，需提高警惕，加強防護措施；五級表示管線受到嚴重擾動，變形超過極限值，已經(jīng)發(fā)生破壞，處于不安全狀態(tài)。

4 管線損傷自動識別

根據(jù)模糊綜合評判模型，得綜合評價模型：

結果表明，B1隸屬度最大值是0.35，對應級別為v2，即二級損傷。

同理，將其它九種工況的數(shù)據(jù)代入上述各隸屬度函數(shù)中，求得各自的綜合評判模型。最后綜合考慮所選指標的影響，得到10層工況（包括八次開挖和兩次支護）的綜合評判模型如下面B矩陣所示：

這次模型數(shù)值模擬是基于縮尺模型試驗方案進行建模分析的，從表5最后匯總的結果來看，從開始開挖到開挖結束，管線損傷均是第二級別，開挖對管線的擾動相對較小，管線均處于安全狀態(tài)（僅次于第一級別的絕對安全狀態(tài)）；之所以比較穩(wěn)定，是由于在第二次開挖和第四次開挖后分別擰緊橫向支撐進行有效防護的緣故；另外，與建模時管線接頭偏剛性也有一定關系?？傊?，橫向支撐及基坑四周的護坡裝置有效的阻止了開挖對管線的擾動，使得管線在整個開挖過程中均穩(wěn)定的處于安全狀態(tài)，符合預先期望。

5 結語

可以考察各相關因素對總體效果的綜合貢獻是模糊評判的突出優(yōu)點。各指標權重值和模糊評判矩陣的確定是評判的關鍵，前者可根據(jù)以往積累的實際經(jīng)驗來確定，但不可避免會帶入主觀因素。該文對模糊評價結果采用的是最大隸屬度原則。事實證明，根據(jù)數(shù)值計算或者實際測得相關數(shù)據(jù)，用模糊綜合評判法確定管線損傷級別是可行的。

參考文獻

[1] 丁勇春，王建華，徐斌.基于FLAC3D的基坑開挖與支護三維數(shù)值分析[J].上海交通大學學報，2009（6）.

[2] 關永平，郭龍，李云龍，等.城市地鐵開挖對相鄰地下管線影響的數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學報，2010（2）.

[3] 賈洪斌.深基坑開挖對周圍地埋管線的影響分析[D].上海：同濟大學，2007.

[4] 范德偉，李大勇，張學臣.地鐵隧道開挖引起臨近地下管線豎向位移及內力分析[J].工業(yè)建筑，2009（9）.

[5] 張曉平.模糊綜合評判理論與應用研究進展[J].山東建筑工程學院學報，2003（4）.

[6] 段寶彬.基于區(qū)間數(shù)的多級模糊優(yōu)選模型[J].河海大學學報（自然科學版），2004（4）.endprint

摘 要：通過用FLAC3D分析軟件模擬基坑分步開挖，獲得影響管線損傷的若干指標，然后運用綜合模糊評判的方法和采用最大隸屬度的原則，得出每層開挖后管線損傷級別，并對該工程地下管線是否發(fā)生損傷泄露做出評判，今后的實際工程應用提供參考依據(jù)。

關鍵詞：模糊評判 基坑開挖 地下管線 損傷評估

中圖分類號：TU473.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0095-05

隨著城市化的發(fā)展，城市密集區(qū)出現(xiàn)越來越多的深基坑工程，開挖時不可避免的影響到周圍的地下管線，打破原有的土體應力平衡，土壓力作用在管線上，繼而導致管線發(fā)生側移和不均勻沉降，甚至會導致管線泄露，造成經(jīng)濟損失，影響百姓生活。

關于這方面的理論或試驗研究的內容多以考慮個別因素為主，缺乏多因素下地下管線變形損傷的影響因子綜合評判分析研究，因此，需要針對地下管網(wǎng)建立起多因素耦合作用下的變形損傷評估方法，以確?；娱_挖時地下管網(wǎng)運行的可靠性和有效性，避免出現(xiàn)極端不利的危害性后果。

1 工程概況及模型建立

肇慶市城建投資開發(fā)集團有限公司擬建安逸新天地項目，建設場地位于廣東省肇慶市端州區(qū)新元西路（77區(qū)）?？偨ㄖ娣e約58000 m2，設地下室3層?；A形式擬采用樁基礎，工程重要性為二級?；又荛L約458 m，±0.000（結構）高程為8.0 m，場地地面相對標高為-0.6 m（高程7.4 m），底板底標高為-12.6 m（底板0.7 m厚），外加0.1 m的墊層，基坑開挖至-12.7 m，基坑開挖深度為12.1 m。電梯井部位超挖1.6～2.1 m，所在部位距離基坑側壁有一定距離，土質為粉質粘土，自然放坡即可。

本基坑周邊環(huán)境如下：管線及市政道路位于基坑北側東西兩面，其中基坑北側東面為新元路，距離基坑開挖內邊線（下同）約6.0 m為綜合管線，距離17 m為DN400供水管道，距離22 m為雨水管道；北側西面為疊翠路，距離基坑開挖內邊線約6.0 m為D400污水管及綜合管線，距離24 m為D400雨水管；基坑南側、西側為別墅群，均為鉆（沖）孔樁基礎，其中南側東面、中部、西側分別距離基坑開挖內邊線約13 m、20 m、8 m為建筑邊線。

基坑尺寸為3000 mm×2500 mm ×900 mm，在對管線、基坑護坡樁、基坑支撐進行相似性計算和分析的基礎上，按照1∶20的比例對縮尺模型進行設計，基坑模型基坑模型軸視圖見圖示，數(shù)值分析模型。

依照模型尺寸用FLAC3D分析軟件建模，建模時以下圖最外底點為坐標原點，取沿長邊方向為X軸正方向，取沿短邊方向為Y軸正方向，豎直向上方向為Z軸正方向。在建模、賦材料屬性、邊界條件等步驟完成后，在基坑開挖施工之前，首先計算土體的初始應力場和初始位移場，即讓模型達到初始平衡，此時產(chǎn)生的位移場應該在后續(xù)開挖階段的位移場中減去，因為在現(xiàn)實中初始位移早就結束，對基坑開挖沒有影響，也就是計算開挖時位移必須清零。之后每次開挖75 mm，分8次開挖完成，其中第二次和第四次開挖后進行支護。

2 評判指標及模型分析數(shù)據(jù)

在現(xiàn)有文獻中，對地下管線的損傷評判大都以變形作為指標，但變形指標大都沒有具體考慮管線的材料，故本文采用應力和土壓力差等四種指標對地下管線損傷進行評判。

本評判問題的指標集。其中，為管線上下兩側豎直土壓力之差（凈土壓力差）；為管線左右兩側水平土壓力之差；為管線最大縱向彎曲應力；為管線最大環(huán)向應力。

3 評價等級及隸屬度函數(shù)

設定評價等級的依據(jù)：首先得到各項指標在10種工況下（包括八次開挖和兩次支護）的應力值；其次分別縱向分析各項指標在10種工況下的變化規(guī)律，根據(jù)所測得數(shù)據(jù)應盡可能均勻分布在各個等級區(qū)間的原則去劃分評價等級。具體來說，先在十種工況中找到最小的數(shù)據(jù)，選定某個與此數(shù)據(jù)接近的值作為第一級區(qū)間分界值，然后等差確定其它等級區(qū)間的分界值；選取的公差應使得第五級區(qū)間的分界值與十種工況數(shù)據(jù)中的最大值接近。

各等級（綜合評判后的等級）對應的變形損傷情況：一級表示管線基本沒有變形，管線處于絕對安全狀態(tài)；二級表示管線受到較小擾動，發(fā)生較小變形，管線處于安全狀態(tài)；三級表示管線發(fā)生相對較大變形，但仍沒有超出管線極限應變，管線仍處于較安全狀態(tài)；四級表示管線發(fā)生較大變形，已接近管線極限應變值，處于相對不安全狀態(tài)，需提高警惕，加強防護措施；五級表示管線受到嚴重擾動，變形超過極限值，已經(jīng)發(fā)生破壞，處于不安全狀態(tài)。

4 管線損傷自動識別

根據(jù)模糊綜合評判模型，得綜合評價模型：

結果表明，B1隸屬度最大值是0.35，對應級別為v2，即二級損傷。

同理，將其它九種工況的數(shù)據(jù)代入上述各隸屬度函數(shù)中，求得各自的綜合評判模型。最后綜合考慮所選指標的影響，得到10層工況（包括八次開挖和兩次支護）的綜合評判模型如下面B矩陣所示：

這次模型數(shù)值模擬是基于縮尺模型試驗方案進行建模分析的，從表5最后匯總的結果來看，從開始開挖到開挖結束，管線損傷均是第二級別，開挖對管線的擾動相對較小，管線均處于安全狀態(tài)（僅次于第一級別的絕對安全狀態(tài)）；之所以比較穩(wěn)定，是由于在第二次開挖和第四次開挖后分別擰緊橫向支撐進行有效防護的緣故；另外，與建模時管線接頭偏剛性也有一定關系?？傊?，橫向支撐及基坑四周的護坡裝置有效的阻止了開挖對管線的擾動，使得管線在整個開挖過程中均穩(wěn)定的處于安全狀態(tài)，符合預先期望。

5 結語

可以考察各相關因素對總體效果的綜合貢獻是模糊評判的突出優(yōu)點。各指標權重值和模糊評判矩陣的確定是評判的關鍵，前者可根據(jù)以往積累的實際經(jīng)驗來確定，但不可避免會帶入主觀因素。該文對模糊評價結果采用的是最大隸屬度原則。事實證明，根據(jù)數(shù)值計算或者實際測得相關數(shù)據(jù)，用模糊綜合評判法確定管線損傷級別是可行的。

參考文獻

[1] 丁勇春，王建華，徐斌.基于FLAC3D的基坑開挖與支護三維數(shù)值分析[J].上海交通大學學報，2009（6）.

[2] 關永平，郭龍，李云龍，等.城市地鐵開挖對相鄰地下管線影響的數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學報，2010（2）.

[3] 賈洪斌.深基坑開挖對周圍地埋管線的影響分析[D].上海：同濟大學，2007.

[4] 范德偉，李大勇，張學臣.地鐵隧道開挖引起臨近地下管線豎向位移及內力分析[J].工業(yè)建筑，2009（9）.

[5] 張曉平.模糊綜合評判理論與應用研究進展[J].山東建筑工程學院學報，2003（4）.

[6] 段寶彬.基于區(qū)間數(shù)的多級模糊優(yōu)選模型[J].河海大學學報（自然科學版），2004（4）.endprint

摘 要：通過用FLAC3D分析軟件模擬基坑分步開挖，獲得影響管線損傷的若干指標，然后運用綜合模糊評判的方法和采用最大隸屬度的原則，得出每層開挖后管線損傷級別，并對該工程地下管線是否發(fā)生損傷泄露做出評判，今后的實際工程應用提供參考依據(jù)。

關鍵詞：模糊評判 基坑開挖 地下管線 損傷評估

中圖分類號：TU473.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（b）-0095-05

隨著城市化的發(fā)展，城市密集區(qū)出現(xiàn)越來越多的深基坑工程，開挖時不可避免的影響到周圍的地下管線，打破原有的土體應力平衡，土壓力作用在管線上，繼而導致管線發(fā)生側移和不均勻沉降，甚至會導致管線泄露，造成經(jīng)濟損失，影響百姓生活。

關于這方面的理論或試驗研究的內容多以考慮個別因素為主，缺乏多因素下地下管線變形損傷的影響因子綜合評判分析研究，因此，需要針對地下管網(wǎng)建立起多因素耦合作用下的變形損傷評估方法，以確保基坑開挖時地下管網(wǎng)運行的可靠性和有效性，避免出現(xiàn)極端不利的危害性后果。

1 工程概況及模型建立

肇慶市城建投資開發(fā)集團有限公司擬建安逸新天地項目，建設場地位于廣東省肇慶市端州區(qū)新元西路（77區(qū)）?？偨ㄖ娣e約58000 m2，設地下室3層。基礎形式擬采用樁基礎，工程重要性為二級?；又荛L約458 m，±0.000（結構）高程為8.0 m，場地地面相對標高為-0.6 m（高程7.4 m），底板底標高為-12.6 m（底板0.7 m厚），外加0.1 m的墊層，基坑開挖至-12.7 m，基坑開挖深度為12.1 m。電梯井部位超挖1.6～2.1 m，所在部位距離基坑側壁有一定距離，土質為粉質粘土，自然放坡即可。

本基坑周邊環(huán)境如下：管線及市政道路位于基坑北側東西兩面，其中基坑北側東面為新元路，距離基坑開挖內邊線（下同）約6.0 m為綜合管線，距離17 m為DN400供水管道，距離22 m為雨水管道；北側西面為疊翠路，距離基坑開挖內邊線約6.0 m為D400污水管及綜合管線，距離24 m為D400雨水管；基坑南側、西側為別墅群，均為鉆（沖）孔樁基礎，其中南側東面、中部、西側分別距離基坑開挖內邊線約13 m、20 m、8 m為建筑邊線。

基坑尺寸為3000 mm×2500 mm ×900 mm，在對管線、基坑護坡樁、基坑支撐進行相似性計算和分析的基礎上，按照1∶20的比例對縮尺模型進行設計，基坑模型基坑模型軸視圖見圖示，數(shù)值分析模型。

依照模型尺寸用FLAC3D分析軟件建模，建模時以下圖最外底點為坐標原點，取沿長邊方向為X軸正方向，取沿短邊方向為Y軸正方向，豎直向上方向為Z軸正方向。在建模、賦材料屬性、邊界條件等步驟完成后，在基坑開挖施工之前，首先計算土體的初始應力場和初始位移場，即讓模型達到初始平衡，此時產(chǎn)生的位移場應該在后續(xù)開挖階段的位移場中減去，因為在現(xiàn)實中初始位移早就結束，對基坑開挖沒有影響，也就是計算開挖時位移必須清零。之后每次開挖75 mm，分8次開挖完成，其中第二次和第四次開挖后進行支護。

2 評判指標及模型分析數(shù)據(jù)

在現(xiàn)有文獻中，對地下管線的損傷評判大都以變形作為指標，但變形指標大都沒有具體考慮管線的材料，故本文采用應力和土壓力差等四種指標對地下管線損傷進行評判。

本評判問題的指標集。其中，為管線上下兩側豎直土壓力之差（凈土壓力差）；為管線左右兩側水平土壓力之差；為管線最大縱向彎曲應力；為管線最大環(huán)向應力。

3 評價等級及隸屬度函數(shù)

設定評價等級的依據(jù)：首先得到各項指標在10種工況下（包括八次開挖和兩次支護）的應力值；其次分別縱向分析各項指標在10種工況下的變化規(guī)律，根據(jù)所測得數(shù)據(jù)應盡可能均勻分布在各個等級區(qū)間的原則去劃分評價等級。具體來說，先在十種工況中找到最小的數(shù)據(jù)，選定某個與此數(shù)據(jù)接近的值作為第一級區(qū)間分界值，然后等差確定其它等級區(qū)間的分界值；選取的公差應使得第五級區(qū)間的分界值與十種工況數(shù)據(jù)中的最大值接近。

各等級（綜合評判后的等級）對應的變形損傷情況：一級表示管線基本沒有變形，管線處于絕對安全狀態(tài)；二級表示管線受到較小擾動，發(fā)生較小變形，管線處于安全狀態(tài)；三級表示管線發(fā)生相對較大變形，但仍沒有超出管線極限應變，管線仍處于較安全狀態(tài)；四級表示管線發(fā)生較大變形，已接近管線極限應變值，處于相對不安全狀態(tài)，需提高警惕，加強防護措施；五級表示管線受到嚴重擾動，變形超過極限值，已經(jīng)發(fā)生破壞，處于不安全狀態(tài)。

4 管線損傷自動識別

根據(jù)模糊綜合評判模型，得綜合評價模型：

結果表明，B1隸屬度最大值是0.35，對應級別為v2，即二級損傷。

同理，將其它九種工況的數(shù)據(jù)代入上述各隸屬度函數(shù)中，求得各自的綜合評判模型。最后綜合考慮所選指標的影響，得到10層工況（包括八次開挖和兩次支護）的綜合評判模型如下面B矩陣所示：

這次模型數(shù)值模擬是基于縮尺模型試驗方案進行建模分析的，從表5最后匯總的結果來看，從開始開挖到開挖結束，管線損傷均是第二級別，開挖對管線的擾動相對較小，管線均處于安全狀態(tài)（僅次于第一級別的絕對安全狀態(tài)）；之所以比較穩(wěn)定，是由于在第二次開挖和第四次開挖后分別擰緊橫向支撐進行有效防護的緣故；另外，與建模時管線接頭偏剛性也有一定關系?？傊瑱M向支撐及基坑四周的護坡裝置有效的阻止了開挖對管線的擾動，使得管線在整個開挖過程中均穩(wěn)定的處于安全狀態(tài)，符合預先期望。

5 結語

可以考察各相關因素對總體效果的綜合貢獻是模糊評判的突出優(yōu)點。各指標權重值和模糊評判矩陣的確定是評判的關鍵，前者可根據(jù)以往積累的實際經(jīng)驗來確定，但不可避免會帶入主觀因素。該文對模糊評價結果采用的是最大隸屬度原則。事實證明，根據(jù)數(shù)值計算或者實際測得相關數(shù)據(jù)，用模糊綜合評判法確定管線損傷級別是可行的。

參考文獻

[1] 丁勇春，王建華，徐斌.基于FLAC3D的基坑開挖與支護三維數(shù)值分析[J].上海交通大學學報，2009（6）.

[2] 關永平，郭龍，李云龍，等.城市地鐵開挖對相鄰地下管線影響的數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學報，2010（2）.

[3] 賈洪斌.深基坑開挖對周圍地埋管線的影響分析[D].上海：同濟大學，2007.

[4] 范德偉，李大勇，張學臣.地鐵隧道開挖引起臨近地下管線豎向位移及內力分析[J].工業(yè)建筑，2009（9）.

[5] 張曉平.模糊綜合評判理論與應用研究進展[J].山東建筑工程學院學報，2003（4）.

[6] 段寶彬.基于區(qū)間數(shù)的多級模糊優(yōu)選模型[J].河海大學學報（自然科學版），2004（4）.endprint