某地鐵車站深基坑開挖對臨近管線的影響分析

鄒　淼，吳祿源，王　磊

(西安科技大學建筑與土木工程學院，西安　710054)

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某地鐵車站深基坑開挖對臨近管線的影響分析

鄒淼，吳祿源，王磊

(西安科技大學建筑與土木工程學院，西安710054)

摘要:半鋪蓋體系法進行地鐵車站施工首次在西安地區(qū)應(yīng)用，為了研究半鋪蓋體系基坑開挖對臨近管線的影響，以西安地鐵4號線某車站基坑為工程背景，對遷改后的管線沉降進行現(xiàn)場監(jiān)測分析。得出管線沉降隨時間的變化規(guī)律，在基坑開挖及底板施工階段，管線沉降速率較大，施工需以信息化施工為主。借助ANSYS軟件建立有限元模型，并依據(jù)實際工況設(shè)置模型監(jiān)測點，對比分析現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果，得出管線的沉降規(guī)律。同時，對基坑不同的分步開挖深度進行模擬，得出管線沉降受分步開挖深度影響較大，基坑開挖及底板施工階段需引以重視。

關(guān)鍵詞:地鐵;基坑開挖;地下管線;沉降;管線遷改;數(shù)值模擬

我國正處于國民經(jīng)濟的高速發(fā)展時期，各大城市交通軌道建設(shè)也處于蓬勃發(fā)展階段。目前，西安多條地鐵線路同時施工，并首先采用了半鋪蓋法進行施工，地鐵施工影響鄰近管線的問題已成為地鐵施工的重點和難點。由于地鐵施工多處于城市繁華路段，開挖時引起的鄰近天然氣管道泄露、水管爆裂、電纜斷裂等情況對城市居民生活影響很大，造成的損失和不便更是難以估量。所以，如何在施工中有效控制開挖，保護鄰近管線的安全，以及出現(xiàn)問題如何處理已經(jīng)成為地鐵工程施工中迫切需要解決的問題。基坑開挖對鄰近管線的影響分析現(xiàn)有的研究一般分為兩類，一類是采用有限元數(shù)值分析的方法進行建模以實現(xiàn)基坑的實際開挖施工過程，如Ahmed等人［1］采用有限元計算方法模擬了深溝渠開挖時對鄰近管線的影響;李大勇等［2］采用三維有限元研究了軟土地基深基坑對臨近管線的影響。第二類是張陳蓉等［3］所使用的位移控制分析方法。在安全管理方面，吳賢國［4］等人建立了地下管線安全管理評價體系。以西安地鐵4號線某車站為工程背景，對半鋪蓋體系施工現(xiàn)場受到影響的地下管線采取遷改措施，并對這些管線進行沉降監(jiān)測和分析。通過ANSYS有限元建立開挖模型，模擬開挖的各個工況，最后將模擬值和實際監(jiān)測值進行對比分析。

1　工程概況

1.1工程簡介

本地鐵車站為西安地鐵4號線的一般車站，所在路段車流量大，交通繁忙，采用半鋪蓋法進行施工。

車站為西安地鐵4號線與地鐵6號線預(yù)留的換乘條件。站位西側(cè)為寫字樓和飯店，東側(cè)為某公司家屬院。本車站附屬結(jié)構(gòu)共設(shè)4個出入口通道(1號出入口為預(yù)留)、2個消防通道、2組風道。工程地質(zhì)情況見表1。

表1　土層劃分和巖性特征

1.2管線分布情況

該車站地下管線主要有給水管、排水管、污水管、電信光纜、電力電纜、路燈管線、天然氣管線共計16種。其中，絕大多數(shù)管線沿南北走向，位于車站主體結(jié)構(gòu)的東西兩側(cè)。管線規(guī)格情況見表2，車站橫斷剖面圖中管線的位置見圖1。

表2　車站管線規(guī)格及遷改措施

圖1　車站中間段的橫剖面

2　管線遷改措施［5］

2.1管線遷改原則［6］

(1)改遷時主要管線應(yīng)盡可能短，還應(yīng)盡量避讓，原則上能永久不臨時，能臨時不懸吊，改遷線路完成后才可拆除原管線。

(2)一般沿車站基坑縱向布設(shè)的管線均須改移，垂直車站基坑方向的管線，原則上混凝土、磚砌材質(zhì)的管線需改移，對于抗變形能力強或電信管等柔性材質(zhì)管線，可采取懸吊保護措施［7］。

(3)根據(jù)地下主體工程的施工順序和周圍環(huán)境設(shè)計管道的遷改方案，遷改盡量一次到位，避免不必要的多次遷改。遷改措施應(yīng)遵循安全、合理、實用、經(jīng)濟的原則，保證施工和地下管線在施工期間運行的安全。

2.2管線遷改措施

對受施工影響的管線應(yīng)按照市政管線部門所規(guī)定的要求進行遷改，可采取懸吊保護、改遷、土體加固、拆除等措施。各管線遷改措施見表2。

(1)懸吊保護方案。管線懸吊以前，應(yīng)注意管線的外部保護，防止受凍或老化。懸吊結(jié)構(gòu)必須坐落在堅實、穩(wěn)定可靠的支墩上，懸吊吊架的吊桿必須受力均勻，并保持管道的原有坡度。跨越基坑的懸吊管線兩端應(yīng)伸入基坑外邊緣距離不小于1.5 m，懸吊管線周邊的支護應(yīng)加強。由于電信管塊DX1質(zhì)量輕，允許變形撓度大，故采取鋼絲繩懸吊保護。懸吊拉桿按0.5 m間距布置，懸吊拉桿與管線接觸部位采用柔性材料包裹，防止拉桿將電纜損壞并起到絕緣的作用。見圖2。

圖2　鋼絲繩懸吊管線示意

(2)永久改遷和臨時改遷保護方案。永久改遷是將管線一次性遷改到位，臨時改遷是待地鐵施工完畢后還恢復至原管線位置的遷改方式。這兩種方案都是將施工中有沖突的管線進行改道使其繞出施工圍擋范圍之外的改遷措施。改遷時應(yīng)保證各管線與其他管線及建筑物的凈距符合要求［8］。改遷時為了提高管線的剛度和抵抗變形的能力，可以采用更換現(xiàn)有管線材料、更換接頭、設(shè)置伸縮節(jié)等措施。當給水或排水管道錯動較大出現(xiàn)接頭漏水時，可將管道調(diào)直后，用快干水泥或聚氨酯堵漏封堵接頭部位，直到不漏水時再進行處理，拐彎處還需要進行重新固定。當天然氣管道出現(xiàn)破損時，可先采用管箍進行包裹處理，然后將脫落的接頭恢復并在管口纏上密封膠帶。處理完成并查明原因后再進行管道復位，復位后對管道四周基礎(chǔ)進行加固，避免移位。本車站DX2、PS1－4、DL4采用永久改遷，GS1、TR采用臨時改遷。管線遷改示意見圖3。

圖3　管線遷改示意

2.3現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析

為了評價半鋪蓋法施工對各管線的影響，施工期間對表3中的項目進行了全面監(jiān)測。監(jiān)測時間為2014年3月25日至2015年1月15日。

本車站地質(zhì)條件較差，車站基坑開挖影響范圍內(nèi)地下管線較多，通過施工監(jiān)控量側(cè)以分析各類地下管線的安全。測點應(yīng)根據(jù)有關(guān)部門的要求設(shè)置，測點埋設(shè)必須在圍護結(jié)構(gòu)施工結(jié)束、基坑開挖開始前進行，并經(jīng)過2～3次觀測測定初始值。工作基點和增設(shè)工作基點的初始值和校核復測由系統(tǒng)控制網(wǎng)施測。由于視線影響，場地圍蔽外測點只進行沉降觀測。及時對量測數(shù)據(jù)進行整理，繪制出沉降量隨施工時間推移的各測點沉降累計值曲線。

表3　車站管線監(jiān)測項目

車站需監(jiān)測的項目均以1～2次/d的頻率來監(jiān)測，如遇到異常情況增加監(jiān)測頻率。當實測變形值大于控制標準或2/3控制標準時，每天觀測2次，直到監(jiān)測值基本穩(wěn)定。

影響地下管線的因素很多，主要有基坑的開挖步驟、管線的埋深、臨近圍護結(jié)構(gòu)位移、管線的材質(zhì)等［9］。本文也根據(jù)以上影響因素，選取了一些具有代表性的管線進行監(jiān)測研究與分析，由于監(jiān)測點較多，本文只選取每根管線的兩個監(jiān)測點來進行分析說明，所選取的監(jiān)測點位置如圖4所示。

圖4　管線監(jiān)測點布置

圖5所示為電信管塊進行懸吊保護處理后的管線沉降情況，DX1的最大沉降量為5 mm，DX2的最大沉降量為4.4 mm。沉降變化開始增加緩慢隨后沉降速率變大，之后又趨于平緩，使沉降量保持在一定數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。這說明地下管線的沉降量與開挖的步驟有很大的關(guān)系。在施工過程中主要有3個施工階段［10］會出現(xiàn)沉降，基坑開挖準備階段，基坑開挖、墊層及底板施工階段和地下主體結(jié)構(gòu)施工階段。從地下管線沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，從2013年8月24日起沉降速率增大較快，直到2013年11月4日數(shù)據(jù)開始趨于平穩(wěn)，即在基坑開挖、墊層及底板施工階段沉降速率和沉降量最大，而在準備開挖階段沉降速率較小，并最終在地下結(jié)構(gòu)施工階段沉降量趨于平穩(wěn)。而從圖像整體而言，沉降量是一個逐漸增加的過程，這說明隨開挖深度增加，地下管線的沉降在不斷增加，而對于支撐體系，由于內(nèi)支撐的作用使沉降量最終大幅減少趨于平穩(wěn)。

圖5　電信管塊沉降量

圖6和圖7為排水管線沉降量，排水管線均采用永久改遷的處理方法。PS1最大沉降量為4.5 mm，PS2最大沉降量為9.4 mm。PS3最大沉降量為8.8 mm，PS4最大沉降量為6 mm。這4根管線均為排水管，材料均相同，埋深和管徑不同，而沉降量差別較大。說明管線的沉降與管線的埋深和管徑的比值(h/d)有關(guān)。PS1的h/d = 3.95，PS2的h/d = 4.73，PS3的h/d=4.59，PS4的h/d = 4.47.即在一定范圍內(nèi)的埋深下，埋深與管徑的比值越大沉降量越大。PS2與PS3沉降量略大于PS1和PS4，這與排水管所在位置的臨近圍護結(jié)構(gòu)的位移有關(guān)。

圖6　排水管1、2沉降量

圖7　排水管3、4沉降量

圖8所示為給水管道與天然氣管道沉降量情況，這兩根管線均采用臨時改遷的方法進行保護處理。GS1最大沉降量6.1 mm，TR最大沉降量為3.5 mm。圖5中電信管塊的材料為光纖/銅，圖6和圖7排水管的材料為混凝土，圖8中管線的材料均為鑄鐵。觀察4幅圖的整體沉降量可以發(fā)現(xiàn)，圖6＞圖7＞圖5＞圖8，這說明，管線的沉降還與管線的材質(zhì)有關(guān)。材料為混凝土的管線沉降量最大，材料為鑄鐵的沉降量最小。由此可得出結(jié)論，管線的彈性模量越大，管線的沉降量越小。管線的彈性模量越大抵抗變形的能力就越強，會產(chǎn)生較大的應(yīng)力;反之彈性模量越小，產(chǎn)生的應(yīng)力較小，但管線與土體的變形協(xié)調(diào)能力越強。

圖8　給水管與天然氣管沉降量

除以上討論的因素之外，李大勇［11］等人還進行了地基下臥層土質(zhì)、地下管線與基坑邊距離、管線與周圍土質(zhì)的相對剛度比等因素對管線影響的研究，限于篇幅在此不一一進行討論。

3　數(shù)值分析［12-13］

3.1模型的建立

取半鋪蓋基坑區(qū)域的一半用ANSYS建立數(shù)值模型。為了減少邊界對開挖基坑的影響，基坑開挖影響寬度約為基坑開挖深度的3倍，影響深度約為開挖深度的2～3倍。因此計算模型尺寸為240 m×120 m× 80 m。兩側(cè)邊界采用水平鉸支約束，下端邊界采用固支約束。土體采用3D-solid 8節(jié)點單元Drucker-Prager模型，冠梁、第一道混凝土支撐采用BEAM單元，軍用梁使用桿單元，第二、三、四鋼管支撐和樁采用beam單元中的pipe單元，管道采用beam單元中的pipedan單元。軍用梁、樁、第一道混凝土支撐和鋼管支撐采用線彈性本構(gòu)模型。

3.2施工模擬

5種工況建立并計算基坑和鋪蓋體系的本構(gòu)模型。工況1是對第2、3、4道橫撐分別加載960、1 170、900 kN的預(yù)應(yīng)軸力，然后將這3道橫撐的單元殺死。然后施加土體的初始應(yīng)力，并把土體的初始位移設(shè)置為0。工況2即開挖第一步，設(shè)置開挖步長為1 m，共6步。開挖達到要求深度后，消除第2道橫撐的殺死命令。工況3即開挖第二步，始開挖步長為1 m，共6步。開挖達到要求深度后，消除第3道橫撐的殺死命令。工況4即開挖第三步，始開挖步長為1 m，共5步。開挖達到要求深度后，消除第4道橫撐的殺死命令。

3.3模擬值與實際監(jiān)測值的對比

圖9～圖12為各管線實際監(jiān)測值與計算模擬值的對比曲線。圖7中電信管塊實測的最大沉降為5 mm，模擬的最大沉降值為5.8 mm，小于報警值20 mm。通過與監(jiān)測結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，管線沉降模擬結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)趨勢上基本吻合，計算結(jié)果略大于實測數(shù)據(jù)。這主要是由于數(shù)值模擬中未考慮到施工中的初支回填注漿作用、鋪蓋體系上部車輛荷載及施工過程中水位變化所引起的固結(jié)沉降等的影響。

圖9　電信管塊沉降量實測值和模擬值對比

圖10中排水管線模擬的最大沉降值為9.7 mm，圖11中排水管線模擬的最大沉降值為9.2 mm，均小于報警值10 mm。管線模擬的沉降變化與實測管線的沉降變化規(guī)律大致吻合。管線的沉降與開挖步驟息息相關(guān)，這里分別選取開挖深度2、6、12 m和18 m對數(shù)據(jù)進行分析。開挖深度為2 m時管線的沉降變化很小，6 m時沉降開始緩慢增加，12 m時沉降量增加劇烈，18 m時沉降量基本不再變化開始趨于平穩(wěn)。在開挖準備階段或剛剛開始開挖至管線埋深之前，管線受到的土體擾動較小，所以沉降變化很小。而在開挖至管線埋深深度或超過管線埋深深度時，管線受地表沉降、地層變形、地下水壓力、臨近周邊圍護結(jié)構(gòu)位移等因素的影響導致沉降量增加劇烈。最終在開挖將至基底時，各因素的影響作用已穩(wěn)定，沉降變化量很小可以忽略，最終沉降量趨于一個平穩(wěn)值。

圖12為給水管道與天然氣管道的實測值與模擬值對比曲線，模擬管線的最大沉降值為7.1 mm，小于報警值10 mm。管線實測值與模擬值變化趨勢大致相同。圖中GS1模擬值的變化比較平順光滑，逐漸增加，而實際監(jiān)測值呈現(xiàn)出起伏性、回彈性。造成這種實測值和模擬值有一定出入的原因是由于施工場地環(huán)境復雜，管線可能受到地層變形、開挖時管道的傾斜、鋪蓋上部行駛的車輛產(chǎn)生的沖擊荷載等不確定因素的影響，而這些影響因素在數(shù)值模擬中是難以考慮周全的。但這樣的起伏并不影響曲線變化的總趨勢，所以也認為是安全合理的。

圖10　排水管1、2沉降量實測值和模擬值對比

圖11　排水管3、4沉降量實測值和模擬值對比

圖12　給水管、天然氣管沉降量實測值和模擬值對比

從以上分析可知，在模擬基坑開挖的過程中，各管線最大沉降值均未超過報警值且沉降量變化規(guī)律與實測變換規(guī)律趨勢大致相同，所以地下管線一直處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)。

4　結(jié)論

(1)管線的遷改要配合地鐵施工的建設(shè)工期及疏解交通的進度，保證管線使用的要求及安全性，遷改的方案也應(yīng)結(jié)合管線特點、協(xié)調(diào)施工現(xiàn)場和周邊環(huán)境的實際情況進行設(shè)計。

(2)由管線的監(jiān)測數(shù)據(jù)得出，管線在開挖準備階段沉降速率和沉降量較小，在基坑開挖、墊層及底板施工階段沉降速率和沉降量劇烈增大，在地下結(jié)構(gòu)施工階段沉降量趨于平穩(wěn)。

(3)經(jīng)過遷改的管線沉降量均未超過報警值，說明管線在基坑開挖過程中一直處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。即采取的遷改措施安全合理，具有可操作性，以后的工程中遇到類似問題可以借鑒。

(4)管線沉降的數(shù)值模擬值與現(xiàn)場實測值基本吻合，說明有限元計算方法可以較準確地模擬基坑開挖對管道的影響。

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Impact Analysis of Deep Metro Foundation Pit Excavation on Adjacent Underground Pipelines

ZOU Miao，WU Lu-yuan，WANG Lei
(Institute of Architecture and Civil Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China)

Abstract:Semi-covering method is first used in Xi'an metro construction.In order to understand the impact of the excavation on adjacent pipelines，this paper analyzes the monitoring data of relocated pipelines related to a certain foundation pit of Xi'an metro line four and identifies the variation of pipeline sedimentation.During foundation pit excavation and plate construction，the sedimentation rate is the largest and the construction must be supported with sufficient and effective information.Monitoring points are set up according to actual conditions with the help of ANSYS finite element and sedimentation patterns are obtained via comparison and analysis of site monitoring data and numerical simulation.Meanwhile，the simulation of step-by-step excavation depth shows that pipeline sedimentation is greatly influenced by the depth of step-by-step excavation.

Key words:Metro; Foundation pit excavation; Underground pipeline; Settlement; Pipeline resettlement; Numerical simulation

作者簡介:鄒淼(1992—)，女，碩士研究生，E-mail:550263242 @ qq.com。

基金項目:國家自然科學基金青年基金(51404193)

收稿日期:2015-08-11;修回日期:2015-09-18

文章編號:1004-2954(2016) 03-0106-06

中圖分類號:U231+.4

文獻標識碼:A

DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.023