基坑开挖对地下管线损伤评估的研究

摘 要：通过用FLAC3D分析软件模拟基坑分步开挖，获得影响管线损伤的若干指标，然后运用综合模糊评判的方法和采用最大隶属度的原则，得出每层开挖后管线损伤级别，并对该工程地下管线是否发生损伤泄露做出评判，今后的实际工程应用提供参考依据。

关键词：模糊评判 基坑开挖 地下管线 损伤评估

中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0095-05

随着城市化的发展，城市密集区出现越来越多的深基坑工程，开挖时不可避免的影响到周围的地下管线，打破原有的土体应力平衡，土压力作用在管线上，继而导致管线发生侧移和不均匀沉降，甚至会导致管线泄露，造成经济损失，影响百姓生活。

关于这方面的理论或试验研究的内容多以考虑个别因素为主，缺乏多因素下地下管线变形损伤的影响因子综合评判分析研究，因此，需要针对地下管网建立起多因素耦合作用下的变形损伤评估方法，以确保基坑开挖时地下管网运行的可靠性和有效性，避免出现极端不利的危害性后果。

1 工程概况及模型建立

肇庆市城建投资开发集团有限公司拟建安逸新天地项目，建设场地位于广东省肇庆市端州区新元西路（77区）。总建筑面积约58000 m2，设地下室3层。基础形式拟采用桩基础，工程重要性为二级。基坑周长约458 m，±0.000（结构）高程为8.0 m，场地地面相对标高为-0.6 m（高程7.4 m），底板底标高为-12.6 m（底板0.7 m厚），外加0.1 m的垫层，基坑开挖至-12.7 m，基坑开挖深度为12.1 m。电梯井部位超挖1.6～2.1 m，所在部位距离基坑侧壁有一定距离，土质为粉质粘土，自然放坡即可。

本基坑周边环境如下：管线及市政道路位于基坑北侧东西两面，其中基坑北侧东面为新元路，距离基坑开挖内边线（下同）约6.0 m为综合管线，距离17 m为DN400供水管道，距离22 m为雨水管道；北侧西面为叠翠路，距离基坑开挖内边线约6.0 m为D400污水管及综合管线，距离24 m为D400雨水管；基坑南侧、西侧为别墅群，均为钻（冲）孔桩基础，其中南侧东面、中部、西侧分别距离基坑开挖内边线约13 m、20 m、8 m为建筑边线。

基坑尺寸为3000 mm×2500 mm ×900 mm，在对管线、基坑护坡桩、基坑支撑进行相似性计算和分析的基础上，按照1∶20的比例对缩尺模型进行设计，基坑模型基坑模型轴视图见图示，数值分析模型。

依照模型尺寸用FLAC3D分析软件建模，建模时以下图最外底点为坐标原点，取沿长边方向为X轴正方向，取沿短边方向为Y轴正方向，竖直向上方向为Z轴正方向。在建模、赋材料属性、边界条件等步骤完成后，在基坑开挖施工之前，首先计算土体的初始应力场和初始位移场，即让模型达到初始平衡，此时产生的位移场应该在后续开挖阶段的位移场中减去，因为在现实中初始位移早就结束，对基坑开挖没有影响，也就是计算开挖时位移必须清零。之后每次开挖75 mm，分8次开挖完成，其中第二次和第四次开挖后进行支护。

2 评判指标及模型分析数据

在现有文献中，对地下管线的损伤评判大都以变形作为指标，但变形指标大都没有具体考虑管线的材料，故本文采用应力和土压力差等四种指标对地下管线损伤进行评判。

本评判问题的指标集。其中，为管线上下两侧竖直土压力之差（净土压力差）；为管线左右两侧水平土压力之差；为管线最大纵向弯曲应力；为管线最大环向应力。

3 评价等级及隶属度函数

设定评价等级的依据：首先得到各项指标在10种工况下（包括八次开挖和两次支护）的应力值；其次分别纵向分析各项指标在10种工况下的变化规律，根据所测得数据应尽可能均匀分布在各个等级区间的原则去划分评价等级。具体来说，先在十种工况中找到最小的数据，选定某个与此数据接近的值作为第一级区间分界值，然后等差确定其它等级区间的分界值；选取的公差应使得第五级区间的分界值与十种工况数据中的最大值接近。

各等级（综合评判后的等级）对应的变形损伤情况：一级表示管线基本没有变形，管线处于绝对安全状态；二级表示管线受到较小扰动，发生较小变形，管线处于安全状态；三级表示管线发生相对较大变形，但仍没有超出管线极限应变，管线仍处于较安全状态；四级表示管线发生较大变形，已接近管线极限应变值，处于相对不安全状态，需提高警惕，加强防护措施；五级表示管线受到严重扰动，变形超过极限值，已经发生破坏，处于不安全状态。

4 管线损伤自动识别

根据模糊综合评判模型，得综合评价模型：

结果表明，B1隶属度最大值是0.35，对应级别为v2，即二级损伤。

同理，将其它九种工况的数据代入上述各隶属度函数中，求得各自的综合评判模型。最后综合考虑所选指标的影响，得到10层工况（包括八次开挖和两次支护）的综合评判模型如下面B矩阵所示：

这次模型数值模拟是基于缩尺模型试验方案进行建模分析的，从表5最后汇总的结果来看，从开始开挖到开挖结束，管线损伤均是第二级别，开挖对管线的扰动相对较小，管线均处于安全状态（仅次于第一级别的绝对安全状态）；之所以比较稳定，是由于在第二次开挖和第四次开挖后分别拧紧横向支撑进行有效防护的缘故；另外，与建模时管线接头偏刚性也有一定关系。总之，横向支撑及基坑四周的护坡装置有效的阻止了开挖对管线的扰动，使得管线在整个开挖过程中均稳定的处于安全状态，符合预先期望。

5 结语

可以考察各相关因素对总体效果的综合贡献是模糊评判的突出优点。各指标权重值和模糊评判矩阵的确定是评判的关键，前者可根据以往积累的实际经验来确定，但不可避免会带入主观因素。该文对模糊评价结果采用的是最大隶属度原则。事实证明，根据数值计算或者实际测得相关数据，用模糊综合评判法确定管线损伤级别是可行的。

参考文献

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