雨水方溝受鄰近地鐵車站基坑施工影響的安全評估

李興高，王 霆

(北京交通大學(xué) 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

隨著我國地鐵建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，地鐵施工對鄰近各類管線和管溝的影響將不可避免。若影響過大，就會影響到既有管線和管溝的正常使用，而且也會對地鐵施工帶來較大的安全隱患。地鐵施工中管線和管溝滲漏誘發(fā)工程災(zāi)變的事故已不是少數(shù)。因此，為確保地鐵施工中鄰近管線、管溝的正常使用和地鐵施工本身的安全，有必要在地鐵施工前對鄰近管線和管溝受地鐵施工的影響進(jìn)行安全評估。

安全評估是一項(xiàng)內(nèi)容豐富的工作。首先，由于地下管線和管溝埋藏于地下，特別是一些年代久遠(yuǎn)的地下管線和管溝，建設(shè)之初就沒有相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，進(jìn)行安全評估所需要的幾何尺寸、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、基礎(chǔ)形式等方面的信息十分匱乏，所以前期綜合調(diào)查和檢測將是安全評估中的重要內(nèi)容。其次，在前期綜合調(diào)查和檢測的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)勘探資料，選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)，建立合理的計(jì)算模型，并考慮到地鐵施工中管線或管溝周圍地層的典型變形特征，計(jì)算分析確定管線或管溝當(dāng)前抵抗變形的能力，確定管線或管溝的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。最后，綜合調(diào)查檢測結(jié)果和計(jì)算分析結(jié)果，提出管線或管溝安全控制措施[1]。本文擬結(jié)合北京地鐵大興線黃村火車站鄰近雨水方溝受鄰近車站基坑施工影響的安全評估工作，詳細(xì)介紹安全評估的工作流程。

1 工程概況

北京地鐵大興線黃村火車站采用明挖法施工，黃村火車站車站主體基坑深度h約為16.2 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁+鋼內(nèi)撐體系。本雨水方溝位于車站東側(cè)，管溝需要評估部分走向大致與車站基坑方向平行，距離車站最近處在車站北端擴(kuò)大處，距離車站結(jié)構(gòu)外廓僅為2 m，延續(xù)長度約為12.4 m，雨水方溝溝內(nèi)底距地面約1.75 m。根據(jù)《北京地鐵大興線02標(biāo)段黃村火車站巖土工程勘察報(bào)告(詳細(xì)勘察)》可知，本車站場地地層由上而下主要為填土層、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土和粉土等。計(jì)算中采用的地層分布情況詳見圖1所示。工程勘察揭露深度范圍內(nèi)的地下水主要為層間潛水，水位高程位于基坑坑底以下。

圖1 地層分布情況

2 管溝調(diào)查檢測

為了解此雨水方溝的修建及維護(hù)情況，走訪了大興市政園林中心市政養(yǎng)護(hù)科，查閱了管溝所在道路的相關(guān)建筑施工圖紙，咨詢了參與此管溝建設(shè)的相關(guān)人員。據(jù)了解，此雨水方溝建成于1984年，限于當(dāng)時(shí)建設(shè)情況，并沒有專門的關(guān)于此管溝的建筑施工圖紙。此雨水方溝系開槽明挖回填，底板為素混凝土，兩側(cè)為磚砌墻，頂板為混凝土蓋板。從揭露的鄰近方溝來看，管溝基本處于滿水狀態(tài)。溝內(nèi)水面距溝頂300 mm，溝壁為磚砌體，表觀一般。本次對方溝蓋板進(jìn)行了檢測，單件混凝土推定強(qiáng)度為C20;方溝蓋板為單層鋼筋網(wǎng)，鋼筋縱向主筋φ12 mm@100 mm，橫向分面筋 φ6 mm@100 mm。表觀質(zhì)量正常。

依據(jù)調(diào)查檢測結(jié)果，繪制雨水方溝斷面如圖2所示，底板為250 mm厚的混凝土板，頂板為200 mm厚的混凝土蓋板，蓋板相接間隙用M10水泥砂漿灌嚴(yán)抹平。邊墻為磚砌，壁厚為240 mm。

圖2 雨污水方溝斷面(單位:mm)

3 荷載計(jì)算

計(jì)算中永久荷載考慮了方溝自重(重度為25 kN/m3)、管溝內(nèi)水壓力、管頂豎向土壓力和管溝側(cè)向土壓力。可變荷載考慮了人群荷載，人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值取4.0 kN/m2，其準(zhǔn)永久值系數(shù)取0.3。由于基坑附近區(qū)域圍擋，活荷載不考慮堆載和車輛荷載。永久荷載考慮1.2的分項(xiàng)系數(shù)，可變荷載考慮1.4的分項(xiàng)系數(shù)。模型中采用的荷載計(jì)算值見圖3所示。

計(jì)算模型中利用土體彈簧支座位移模擬管溝底部或側(cè)向土體位移。考慮到管溝與車站基坑平行，計(jì)算中假定車站基坑施工引起管溝下部土體的最大沉降為4 mm，車站基坑施工引起的管溝側(cè)墻外側(cè)土體的最大水平位移為4 mm。

圖3 結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算值(單位:kN/m2)

4 力學(xué)模型和參數(shù)

綜合考慮管溝變形和地層變形特點(diǎn)，基于MIDAS/CIVIL 6.71軟件，建立以下三維板單元模型。模型中管溝底部與側(cè)面均布置彈性連接，當(dāng)彈性連接受拉時(shí)，連接處退出工作。管溝受上部荷載和下部(或側(cè)向)施加地層位移作用發(fā)生變形。因兩側(cè)側(cè)墻為磚砌結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)最薄弱部分，在進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，僅驗(yàn)算方溝側(cè)墻內(nèi)力。根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003—2001)[2]有關(guān)規(guī)定，磚砌側(cè)墻的彎曲抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.33 MPa。考慮管溝目前腐蝕較為嚴(yán)重，本次評估將側(cè)墻的彎曲抗拉強(qiáng)度允許值折減為0.25 MPa。模型計(jì)算長度依據(jù)基坑開挖對前方土體的影響范圍確定。

1)模型計(jì)算長度

基坑開挖范圍內(nèi)土體平均內(nèi)摩擦角 φ為22.8°，基坑開挖前方影響范圍l為

計(jì)算范圍近似取5倍的影響范圍，模型計(jì)算長度確定為54 m。

2)計(jì)算模型

采用荷載結(jié)構(gòu)法建立計(jì)算模型，模型側(cè)面與底部均施加彈性連接，如圖4所示。模型作用的荷載如圖3所示。模型共劃分了864個(gè)單元，計(jì)1 075個(gè)節(jié)點(diǎn)。在管溝一端基坑開挖約兩倍影響范圍(22 m)的長度內(nèi)施加底板下部土體彈簧支座位移，模擬管體底部土體變形情況，如圖5所示。管溝模型在荷載與支座位移的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生附加內(nèi)力。

3)計(jì)算參數(shù)

方溝頂板與底板均為C20混凝土板，其中頂板為鋼筋混凝土板。邊墻為磚砌，采用MU10磚，M10水泥砂漿。材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖4 管溝模型荷載

圖5 管溝施加支座位移的范圍

表1 材料力學(xué)參數(shù)

管溝持力層位于粉細(xì)砂②2和粉質(zhì)黏土②1層，垂直基床系數(shù)取為20 MPa/m，水平基床系數(shù)取為25 MPa/m。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

1)土體彈簧支座豎向位移

首先計(jì)算了管溝初始平衡狀態(tài)(天然狀態(tài))下的變形情況，初始平衡狀態(tài)下管溝豎向沉降2.93 mm。接下來，利用彈簧支座位移模擬管溝底部土體位移，分別計(jì)算了管溝底部土體位移2、3和4 mm情況下的管溝變形和內(nèi)力情況，見表2所示。計(jì)算表明各種情況下管溝變形變化最劇烈的部分發(fā)生在約 1倍 l，即10.8 m的長度范圍內(nèi)。

表2 彈簧支座豎向位移情況下管溝變形和內(nèi)力

由表2可以看出，當(dāng)車站基坑開挖引起的管底處的地層豎向變形為3 mm時(shí)，管溝實(shí)際最大豎向位移3.07 mm，管溝側(cè)墻最大主拉應(yīng)力0.24 MPa，而管溝磚砌側(cè)墻考慮腐蝕后的彎曲抗拉強(qiáng)度允許值為0.25 MPa。因此，應(yīng)控制管溝每10 m范圍內(nèi)的差異沉降不大于3 mm。

2)土體彈簧支座水平位移

利用側(cè)向彈簧支座位移模擬管溝側(cè)向土體位移，分別計(jì)算了管溝側(cè)向土體位移2、3和4 mm情況下的管溝變形和內(nèi)力情況，見表3所示。計(jì)算表明，管溝變形變化最劇烈的部分發(fā)生在約1倍l，即10.8 m的長度范圍內(nèi)。

表3 彈簧支座水平位移情況下管溝變形和內(nèi)力

由表3可以看出，當(dāng)車站基坑開挖引起的管溝邊墻外側(cè)的地層水平移動為2 mm時(shí)，管溝的最大水平側(cè)向位移為3.41 mm，管溝側(cè)墻的最大主拉應(yīng)力達(dá)到0.20 MPa，而管溝磚砌側(cè)墻考慮腐蝕后的彎曲抗拉強(qiáng)度允許值為0.25 MPa，當(dāng)?shù)貙铀轿灰? mm時(shí)，側(cè)墻的最大主拉應(yīng)力為0.27 MPa，大于管溝側(cè)墻彎曲抗拉強(qiáng)度允許值。因此，應(yīng)控制管溝每10 m范圍內(nèi)的最大水平位移之差<3 mm。

3)土體彈簧支座豎向與水平位移同時(shí)存在

當(dāng)管溝同時(shí)存在水平位移和側(cè)向位移時(shí)，計(jì)算模型中考慮了3種情況:① 側(cè)墻水平支座位移2 mm、底板豎向支座位移1 mm;② 側(cè)墻水平支座位移1 mm、底板豎向支座位移2 mm;③ 側(cè)墻水平支座位移2 mm、底板豎向支座位移2 mm。各種情況下的計(jì)算結(jié)果見表4所示。計(jì)算表明，管溝變形變化最劇烈的部分發(fā)生在約1倍l，即10.8 m的長度范圍內(nèi)。

表4 彈簧支座水平與豎向同時(shí)位移時(shí)計(jì)算結(jié)果

由表4可以看出，當(dāng)土體彈簧水平支座與豎向支座同時(shí)發(fā)生位移時(shí)，每10 m范圍內(nèi)管溝側(cè)墻主拉應(yīng)力控制的管溝位移允許值為:①豎向最大位移1 mm和水平最大位移3 mm;②豎向最大位移2 mm和水平最大位移2 mm。

6 結(jié)論和建議

1)通過調(diào)查、檢測和計(jì)算分析，并考慮到管溝現(xiàn)狀情況，確定管溝變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下:

①管溝僅有垂向位移時(shí)，管溝10 m范圍內(nèi)的最大差異沉降應(yīng)<3 mm。

②管溝僅有水平位移時(shí)，管溝10 m范圍內(nèi)最大水平位移之差應(yīng)<2 mm。

③管溝同時(shí)有水平位移和垂向位移時(shí):管溝10 m范圍內(nèi)的最大差異沉降應(yīng)<1 mm且管溝10 m范圍內(nèi)最大水平位移之差<3 mm;或者管溝10 m范圍內(nèi)的最大差異沉降應(yīng)<2 mm且管溝10 m范圍內(nèi)最大水平位移之差<2 mm。

2)以上計(jì)算表明，現(xiàn)狀管溝承載能力很低，稍加擾動就很可能產(chǎn)生裂縫。考慮到當(dāng)前基坑工程施工技術(shù)水平，如果嚴(yán)格按上述變形控制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，既不合理，也不經(jīng)濟(jì)，建議在保證管溝使用功能的前提下，采用先通過后修復(fù)的做法。

3)在車站基坑施工過程中應(yīng)盡量保證管溝處于無水狀態(tài)。為達(dá)到這一目的，可考慮采用內(nèi)襯法，即在管溝內(nèi)部鋪設(shè)柔性防水卷材，接頭全留在管線上方，縱向接頭采用與隧道防水相似的施工工藝，將防水卷材直接釘于管溝側(cè)壁上。管溝防水處理也可以采用襯管的方法[3]。襯管法是在既有管道中內(nèi)襯一塑料管道的方法，特別適用于雨污水管道的處理。

[1] 段紹和，方勇，鐘山，等.盾構(gòu)掘進(jìn)對鄰近拱橋結(jié)構(gòu)受力影響的數(shù)值分析［J］.鐵道建筑，2009(2):21-24.

[2] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50003—2001砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3] MOSER A P.地下管設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.