地鐵車站基坑開挖對燃氣管線影響分析及控制措施

周 劍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著城市化進程不斷加快和人口急劇增加，地面交通已不能滿足現有城市發展節奏，城市交通向地下發展成為當今社會的必然需求[1-2]。地下建筑主要涵蓋地下商場、地下車庫和地下鐵道等，其基坑開挖多處在人口密集區，周邊不僅有辦公建筑和居民小區，還涉及城市的地下燃氣管道[3-8]。如何在燃氣管道附近快速安全地進行基坑開挖施工顯得尤為重要。國內外學者針對基坑開挖對管線的影響進行了許多研究，如夏明耀等針對基坑開挖深度對地下管線的影響進行定性分析，得出基坑開挖對管線影響范圍為其開挖深度的4倍[9]。李佳川等通過有限元方法研究地下連續墻開挖過程中附近土體隨開挖深度方向的變形規律[10]。Crofts等推導了地下管線水平位移的計算方法，認為管線水平位移與基坑開挖及支護有相互影響關系[11]。李大勇等采用彈性地基梁模型模擬基坑開挖對地下管線的影響，并給出了變形公式[12]。

以成都軌道交通8號線一期工程為例，采用現場調研、數值模擬和理論研究等方法對基坑與燃氣管線(平行方位與交叉方位)進行深入研究，提出了圍護樁、冠梁和管線遷改等保護措施，研究成果可為地鐵快速施工提供指導。

1 工程概況

地鐵基坑與地下燃氣管線存在兩種典型的關系，一種為燃氣管線平行于基坑，另外一種是燃氣管線與基坑交叉，如圖1所示。

圖1 基坑與管線典型方位關系

1.1 十里店站概況

成都地鐵8號線一期工程6標十里店站坐落于成都市十里店路和東華一路交匯處，里程為CK46+292.879～CK46+898.879，車站結構頂板覆土厚2.2～3.5 m，總長606 m，標準段寬22.1 m，風亭2組，出入口3個，安全出入口1個，站臺形式為“島式”。主體結構基坑采用“φ800/φ1 200/φ1 500鉆孔樁+豎向3道鋼管支撐”的支護形式，鉆孔樁中心間距為1.4 m、1.8 m、2 m，采用明挖順作法施工。

車站基坑附近主要燃氣管道為DN325龍東線燃氣管，其材質為鋼，埋深1.1～1.8 m，距離車站主體標準段約為4.5 m，距離主體擴大段約為1.6 m。燃氣管走向平行于車站，位于十里店車站主體結構北側中央綠化帶下。十里店站位置與DN325龍東線燃氣管關系見圖2，十里店站與DN325龍東線燃氣管橫斷面關系見圖3。

圖2 十里店站與DN325龍東線燃氣管平面位置關系(單位：m)

圖3 十里店站與DN325龍東線燃氣管橫斷面關系(單位：mm)

1.2 理工大學站概況

理工大學站附屬C通道為地下一層矩形框架結構，車站底板埋深約9 m，通道主體標準段寬6.7 m，結構高5.3 m，頂板覆土厚約3.0 m，基坑采用“圍護樁+內支撐+網噴”的支護體系。

DN325龍東線燃氣管材質為鋼，埋深約1.3 m，垂直于C通道，位于理工大學站主體結構南側中央綠化下。理工大學站附屬C口與DN325龍東線燃氣管平面和立面關系如圖4、圖5。

圖4 理工大學站C口與DN325龍東線燃氣管平面關系

圖5 理工大學站C口與DN325龍東線燃氣管立面關系(單位：m)

2 燃氣管線控制標準確定

施工過程引起的地下管線破壞模式主要有以下幾個方面。

(1)柔性管

由于屈服或撓曲作用產生過度變形而使管段發生破裂。

(2)剛性管

①由縱向彎曲引起的橫斷面破裂。

②由管段環向變形引起的徑向開裂。

③管段接頭處不能承受過大轉角而發生滲漏。

一般認為，地層沉降引起的彎曲應力是長大管線破壞的主要來源；對于有接頭的管線，破壞主要由管道允許張開值△和允許的縱向和橫向抗彎強度決定。

本次研究對象DN325龍東燃氣管線材質為D323.9無縫鋼管，屬于剛性管且無接頭，可不考慮管段接頭處的影響，故針對實際工程情況，采用位移控制標準和管線應力控制標準。

2.1 燃氣管線位移控制標準

國內相關技術規范、工程標準等給出了一些地下管線沉降、差異沉降(傾斜率)和變化速率的控制值(如表1所示)，據此確定了DN325龍東燃氣管線的位移控制標準(如表2所示)。

表1 地下管線位移控制值

表2 燃氣管線位移控制標準 mm

在車站基坑開挖過程中，燃氣管線的變形達到控制值的70%時，應進行變形預警控制；變形達到控制值的80%時，需停工并采取相應的加固措施，以確保燃氣管線的安全。

2.2 燃氣管線應力控制標準

通過分析可知，彎曲應力對管線的受力起控制作用，應確保管段中的彎曲應力小于容許值，且留有安全余量，此處取安全系數為5。參考相關文獻及規范，其容許值見表3。

表3 燃氣管線應力控制標準 MPa

3 參數選取及模型建立

3.1 計算參數

根據《成都市軌道交通8號線一期工程理工大學站詳勘報告》，選取巖土體的物理力學參數，袖閥管注漿加固通過改變加固區域的圍巖參數來模擬。土層及加固后土體的物理力學參數見表4。

表4 地層物理力學參數

結構材料參數見表5。

表5 材料參數

3.2 模擬方法

采用Midas GTS NX有限元軟件模擬基坑開挖。土體采用三維實體單元進行模擬，圍護結構采用GTS NX內部結構單元進行模擬，圍護樁、冠梁、圍檁采用梁單元模擬，燃氣管線采用板單元進行模擬。燃氣管道內的壓力為0.8 MPa。

Midas GTS NX有限元軟件采用鈍化/激活的方法來實現土體的開挖和圍護結構的施作。

3.3 模型建立

整體計算模型采用位移邊界條件，底面為豎向約束，四周為法向約束。十里店車站基坑總長606 m，由于尺寸的限制，無法對整個車站基坑進行模擬，故截取部分基坑進行建模。為了消除邊界影響，視標準段一定范圍之外的管線不受擴大段的影響，標準段的寬度為22.1 m，模型標準段的長度取其寬度的3倍，即66.3 m。采用有限元計算軟件，建立三維實體模型。本次研究中十里店車站基坑數值模型的尺寸為：長(X向)×寬(Y向)×高(Z向)=101 m×95 m×38 m。巖土體的模擬選用三維六面體實體單元，整個數值模擬模型共劃分為185 401個實體單元，119 589個節點。十里店車站擴大段基坑模型如圖6所示。

圖6 十里店車站擴大段基坑模型(平行方位)(單位：m)

理工大學站附屬C通道為地下一層矩形框架結構，車站底板埋深約9 m，通道主體標準段寬6.7 m，結構高5.3 m，頂板覆土厚約3.0 m，采用“圍護樁+內支撐+網噴”的支護體系。理工大學站附屬C出口數值模型的尺寸為：長(X向)×寬(Y向)×高(Z向)=40 m×20 m×30 m。整個數值模擬模型共劃分55 473個實體單元，59 636個節點。理工大學站附屬C出口模型如圖7所示。

圖7 理工大學站附屬C出口模型(垂直方位)(單位：m)

十里店車站擴大段基坑開挖與理工大學站附屬C出口開挖模擬如圖8和圖9所示。

圖8 十里店車站擴大段基坑開挖

圖9 理工大學站附屬C出口開挖

4 結果分析

4.1 位移分析

(1)十里店車站擴大段基坑

對十里店車站的基坑開挖施工過程進行模擬，位于擴大段一側燃氣管線的位移曲線見圖10～圖11。由圖10～圖11可知，十里店車站擴大段基坑開挖對燃氣管線存在一定影響，且影響范圍較大。從管線的豎向位移曲線可以看出，豎向位移出現了反向；從管線水平Y反方向的位移情況來看，同樣也有反向位移，這些現象反映了管線的受力情況；基坑開挖、卸荷導致周邊土體向基坑內部位移燃氣管線距離基坑較近，導致管線整體向基坑內部位移并伴隨沉降，燃氣管線以朝向基坑內部(Y方向)的位移為主；從位移的量值上來看，十里店車站基坑開挖施工完成后，DN325燃氣管線的豎向最大位移為1.08 mm，X方向上最大位移為0.222 5 mm，Y方向上最大位移為1.99 mm。

圖10 施工完成后燃氣管線的豎向位移曲線(單位：m)

圖11 施工完成后燃氣管線的水平位移(單位：m)

(2)理工大學站附屬C出口基坑

對理工大學站附屬C出口施工過程進行模擬，獲得燃氣管線的位移曲線，見圖12～圖13。

圖12 施工完成后燃氣管線的豎向位移曲線(單位：m)

圖13 施工完成后燃氣管線的水平位移曲線(單位：m)

由圖12～圖13可知，理工大學站附屬C出口施工完成后，DN325龍東燃氣管線產生了位移，由于基坑開挖后管線處于懸空狀態，燃氣管線位移主要由豎向控制，燃氣管線在水平方向上位移較小。從X方向上看，由于基坑開挖后土體向基坑內部位移，受到土體的影響，燃氣管線的位移趨勢與土體位移方向一致，呈現出兩端向基坑內部位移的規律。燃氣管線的豎向位移在懸空段的中部最大，并且土體內燃氣管線的豎向位移出現反向。從量值上來看，基坑施工完成后，DN325龍東燃氣管線豎向最大位移為5.21 mm，水平X向上最大位移為0.44 mm，水平Y向最大位移為0.089 mm。

4.2 應力分析

燃氣管線的破壞模式主要為縱向彎曲引起的橫斷面破裂，故管線軸向應力的變化為關注重點。燃氣管線的位移以Y方向上的水平位移為主，取管線8個特征點進行分析，特征點分布見圖14，基坑施工完成后，可獲得燃氣管線特征點的軸向正應力SYY和SXX的分布曲線，圖15為十里店車站擴大段基坑開挖特征點A軸向應力分布曲線。

圖14 DN325燃氣管線特征點分布情況

圖15 施工完成后燃氣管線特征點A軸向應力分布曲線

(1)十里店車站擴大段基坑

十里店車站擴大段基坑燃氣管線特征點的軸向正應力SYY和SXX的分布如圖16和圖17所示。由圖16和圖17可知，基坑開挖施工完成后，燃氣管線軸向正應力SXX既有壓應力也有拉應力，且以拉應力為主；軸向正應力SYY全為拉應力；最大壓應力為1.93 MPa，滿足容許壓應力控制值(127.4 MPa)，燃氣管線最大拉應力為14.3 MPa。

(2)理工大學站附屬C出口基坑

理工大學站附屬C出口基坑燃氣管線特征點的軸向正應力SYY和SXX的分布如圖18和圖19所示。由圖18和圖19可知，基坑開挖施工完成后，燃氣管線軸向正應力既有壓應力也有拉應力；最大壓應力為21.7 MPa，滿足容許壓應力控制值(127.4 MPa)，燃氣管線最大拉應力為26.7 MPa，滿足容許拉應力控制值(37.21 MPa)。

圖16 施工完成后燃氣管線軸向SYY應力(單位：kPa)

圖17 施工完成后燃氣管線軸向SXX應力(單位：kPa)

圖18 施工完成后燃氣管線軸向正應力SYY分布(單位：kPa)

圖19 施工完成后燃氣管線軸向正應力SXX分布曲線(單位：kPa)

5 控制措施

5.1 圍護樁施工保護措施

(1)施工措施

①采用C30混凝土進行硬化(混凝土厚30 cm)，并加鋪鋼筋網片(HRB40020鋼筋，縱、橫向間距均為20 cm)，見圖20。

圖20 鋼筋網片示意

②在硬化路面上沿燃氣管走向做警示標志，在圍擋上做燃氣管線標識牌。

③施工前在圍護樁位置人工開挖探溝，探溝應挖至原狀土且不小于3 m。

④旋挖鉆鉆位避開燃氣管。

⑤須硬化路面強度達到100%后，才能允許車輛通行。

⑥燃氣管上方嚴禁堆土，并及時清運施工渣土。

⑦旋挖鉆、裝載機、吊車、混凝土罐車等大型機械嚴禁在燃氣管5 m范圍內走行及施工。

⑧車站擴大段圍護樁施工時，管線以上部分采用人工挖孔，以下部分采用機械成孔。

(2)設計措施

①調整盾構擴大段圍護樁直徑為800 mm。

②采用“半邊樁”方法，樁先灌注至地面，再破除半邊樁施作冠梁。

③鄰近燃氣管側第一道支撐采用混凝土。

④管線與圍護樁之間采用袖閥管注漿，對土體進行預加固。

5.2 冠梁施工保護措施

(1)土方開挖時，應先用切割機切除已硬化的混凝土路面，避免破除路面對燃氣管的損傷。

(2)為避免冠梁土方開挖傷及燃氣管，應采用半邊樁兼做擋土墻，冠梁土方開挖時不再放坡。

(3)標準段冠梁土方開挖，放坡比率為1∶0.5，開挖完成后對邊坡進行網噴混凝土，保證冠梁施工期間邊坡穩定。

(4)冠梁施工完成后，應及時回填。

5.3 管線遷改施工保護措施

(1)管線遷改概況

需遷改的管線有：雨水、電力、通訊、燃氣、給水等。

(2)平行管線處理措施

①電力、通訊管：距離325燃氣管較近，經研究決定，不再進行遷改。

②雨水管：選用頂管法施工。

③DN219燃氣管和給水管：開挖應在325燃氣管5 m范圍外；開挖應分段進行，分段長度為10～15 m，完成鋪管并回填后再進行下一段的施工；渣土嚴禁存放于325燃氣管5 m范圍內。

(3)交叉管線處理措施

①電力及通訊管：不再進行遷改。

②雨水管：選用頂管法施工。

5.4 附屬C口保證措施

(1)施工順序

圍護樁→冠梁→臨時蓋板(同步完成燃氣管懸吊保護措施)→暗挖土方→C通道結構施工。

(2)C通道與燃氣管位置關系

設計樁位已避開325燃氣管(DN325燃氣管管頂距離原地面為1.3 m，管底距離結構頂板1.4 m)。

(3)圍護樁期間保護措施

①圍護樁施工前，先人工開挖探溝，將DN325燃氣管暴露出來并做標識。

②采用人工挖孔樁施工。

③禁止鏟車、吊車等機械在其5 m范圍內作業。

(4)冠梁施工期間保護措施

①采用人工開挖溝槽，對邊坡進行噴射混凝土加固。

②冠梁施工時，在與DN325管道交叉處安放泡沫板，使冠梁混凝土與管道隔離，保證管道安全。

(5)蓋板施工期間保護措施

①施作混凝土蓋板時，采用鋼絲繩將DN325燃氣管懸吊至混凝土蓋板上，鋼絲繩間距1 000 mm，共懸吊7道。

②在鋼絲繩與燃氣管交界處增加橡膠材料作為保護。

③燃氣管上方土方開挖均采用人工方式，以確保安全。

④混凝土蓋板底部范圍采用暗挖掏土，掏土完成后，燃氣管受力狀態轉換為懸吊受力。

⑤燃氣管范圍用細砂回填。

6 結論

地鐵基坑開挖對平行燃氣管線存在一定影響，且影響范圍較大，基坑開挖、卸荷導致周邊土體向基坑內部位移；燃氣管線距離基坑較近，導致管線整體向基坑內部位移并伴隨沉降，燃氣管線以朝向基坑內部(Y方向)的位移為主。

地鐵基坑開挖后，燃氣管線位移主要由豎向控制，在水平方向上位移較小。從X方向上來看，基坑開挖后土體向基坑內部位移，受到土體的影響，燃氣管線的位移趨勢與土體位移方向一致，呈現出兩端向基坑內部位移的規律；燃氣管線在豎向的位移在懸空段的中部最大。在土體內，燃氣管線的豎向位移出現反向。

十里店車站基坑開挖施工完成后，平行方位的燃氣管線軸向正應力SXX既有壓應力，也有拉應力且以拉應力為主；燃氣管線軸向正應力SYY全為拉應力；理工大學附屬C出口基坑開挖施工完成后，垂直方位的燃氣管線軸向正應力既有壓應力也有拉應力；燃氣管線最大壓應力為21.7 MPa。

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