地鐵車站基坑施工對(duì)周邊管線的影響

楊本亮

（安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，合肥 230088）

城市交通擁堵現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，催生了一種新型城市軌道交通——地鐵。地鐵因其便利性、節(jié)能性、準(zhǔn)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)大型城市大力興建。作為樞紐的地鐵車站基坑施工會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。基坑開挖實(shí)則為卸載過程，卸載量隨著土體的開挖越來(lái)越大，可能引起基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地表沉降、土體隆起等不利影響。因此，基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響問題已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

眾多的科研工作者針對(duì)基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境影響的問題做了一系列研究。李大勇等［1］基于軟土地區(qū)某深基坑工程，利用有限元軟件ABAQUS建立三維數(shù)值模型，分析了基坑開挖對(duì)臨近管線變形的影響，并提出了有效的施工措施保護(hù)管線。龔江飛［2］以某臨近文物建筑的深基坑為研究對(duì)象，利用數(shù)值手段研究了深基坑開挖對(duì)周邊文物建筑的影響，針對(duì)文物建筑較大變形的位置，提出響應(yīng)的有效措施控制變形。劉國(guó)彬等［3］以某采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地鐵車站為背景，通過對(duì)地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間周邊建筑物的沉降監(jiān)測(cè)，獲得了地下連續(xù)墻成槽期間周邊建筑物的沉降規(guī)律。張陳蓉等［4］通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了基坑開挖對(duì)鄰近地下管線變形的影響，并基于此提出了相應(yīng)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。楊卓等［5］以某臨近建筑物的地鐵車站基坑工程為研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，獲得了地鐵車站施工過程中周邊建筑物的沉降規(guī)律。史春樂等［6］、高彥斌等［7］通過不同的研究方法探討了基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

基于某臨近地下管線的地鐵車站施工的工程背景，通過對(duì)施工過程的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元模擬，獲得了不同管線在地鐵車站施工下的沉降規(guī)律。

1 工程概況

本文研究的地鐵車站所處地段環(huán)境復(fù)雜，交通擁堵，車流量較大。車站東邊為超高寫字樓和商場(chǎng)，車站西邊為醫(yī)院。周邊地下管線較為密集復(fù)雜，主要有污水管、給水管、電力電纜、排水管。天然氣管線等。本文現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地下管線具體情況如表1。地鐵車站所處地區(qū)的工程地質(zhì)情況如表2。

表1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地下管線具體情況

續(xù)表1

表2 工程地質(zhì)情況

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案及結(jié)果分析

為研究半鋪蓋法施工地鐵車站對(duì)周邊地下管線的影響，在地鐵車站施工期間，對(duì)采取臨時(shí)懸吊的管線和圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊的管線開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，具體如表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

由于本車站所處地區(qū)的地質(zhì)條件不佳，且地鐵車站施工范圍內(nèi)的周邊管線較為密集，通過施工過程中對(duì)管線沉降的監(jiān)測(cè)以評(píng)估其安全性。根據(jù)相關(guān)規(guī)定的要求，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置時(shí)機(jī)應(yīng)在車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)完成施工至基坑開挖施工前，同時(shí)經(jīng)過幾次監(jiān)測(cè)獲得初始值。對(duì)上述兩個(gè)需要觀測(cè)的內(nèi)容每天都至少需要觀測(cè)一次，如果遇到觀測(cè)結(jié)果異常的，應(yīng)增加觀測(cè)次數(shù)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的變形結(jié)果超過控制標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，每天觀測(cè)次數(shù)不應(yīng)少于2次，直至變形趨于穩(wěn)定。

由于周邊管線變形的影響因素眾多，如地鐵車站的施工工序、地鐵車站與臨近管線的距離、管線自身的埋設(shè)深度等，本文根據(jù)工程實(shí)際情況，選取部分典型管線的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。圖1給出了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)的位置。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn)的位置圖

圖2給出了經(jīng)過懸吊保護(hù)處理的管線的沉降量隨施工時(shí)間的變化曲線，主要繪制了DX1和DX2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降量。如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)期間，DX1和DX2兩測(cè)點(diǎn)的沉降量峰值分別為5mm和4.4mm。沉降曲線的變化規(guī)律基本一致：觀測(cè)管線的沉降量在監(jiān)測(cè)初期緩慢增大，隨后沉降速率顯著增大，最終沉降變化逐漸趨于穩(wěn)定，沉降量穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。這說明車站基坑施工工序?qū)Φ罔F車站周邊管線的沉降值有顯著影響。結(jié)合已有研究發(fā)現(xiàn)，地鐵車站施工過程對(duì)周邊管線沉降的主要影響分為3個(gè)階段：第一階段為車站基坑開挖準(zhǔn)備期間，第二階段為車站基坑開挖至底板施工完畢期間，第三階段為車站地下主體結(jié)構(gòu)完工階段。進(jìn)一步觀察圖中曲線可知，從8月24日起至11月4日，DX1和DX2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)沉降量顯著增大，此后地下管線沉降量趨于穩(wěn)定，即第二階段（車站基坑開挖至底板施工完畢期間）的沉降值和沉降速率均最大，而第一階段（車站基坑開挖準(zhǔn)備期間）沉降速率及沉降量均較小，第三階段（車站地下主體結(jié)構(gòu)完工階段）沉降量變化不大。從圖2中整個(gè)觀測(cè)期間可見，地鐵車站周邊管線的變形隨著基坑開挖深度的增大逐漸增大，但隨著內(nèi)支撐的逐漸施工，地下管線的變形幅度逐漸減小且變形最終趨于穩(wěn)定。

圖2 經(jīng)過懸吊保護(hù)處理的管線的沉降量隨施工時(shí)間的變化曲線

圖3和圖4分別給出了經(jīng)過永久改遷處理的排水管線1，2，3，4的沉降量隨施工時(shí)間的變化曲線。從圖中可見，排水管線1～4的沉降量峰值分別為4.5，9.4，8.8，6mm。圖中所研究的排水管線材質(zhì)相同，但管線管徑和埋深均不相同，不同排水管線沉降量的差別表明排水管線的排水管線對(duì)其有顯著影響。排水管線1的h/d=3.96（埋深/管徑）、排水管線2的h/d=4.74、排水管線2的h/d=4.60、排水管線2的h/d=4.48，可見，在地下管線在一定埋深下，地下管線的沉降量隨h/d的增大而增大。而排水管線2和排水管線3的沉降量大于排水管線1和排水管線4的沉降量，這與地下管線所處位置所對(duì)應(yīng)的車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形有關(guān)。

圖3 排水管線1和2的沉降量隨施工時(shí)間的變化曲線

圖4 排水管線3和4的沉降量隨施工時(shí)間的變化曲線

圖5給出了天然氣管道與給水管線沉降量隨施工時(shí)間的變化曲線，該天然氣管道與給水管線均經(jīng)過臨時(shí)改遷方法的保護(hù)處理。給水管線的沉降量峰值6.1mm，天然氣管道的沉降量峰值3.5mm。圖2中的地下管線為光纖/銅制造，圖3、4中的排水管線為混凝土制造，圖5中天然氣管道與給水管線都為鑄鐵制造。對(duì)比圖2～圖5可發(fā)現(xiàn)，地下管線整體沉降量大小排序如下：圖5＜圖2＜圖4＜圖3，即鑄鐵材質(zhì)的地下管線沉降量＜光纖/銅材質(zhì)的地下管線沉降量＜混凝土材質(zhì)的地下管線沉降量，這表明地下管線的材質(zhì)同樣對(duì)地下管線的變形有影響，且地下管線的沉降量隨著管線材質(zhì)的彈性模量的增大而減小。這是因?yàn)榈叵鹿芫€材質(zhì)的彈性模量越小，其抵抗變形的能力越差，管線的應(yīng)力越小；反之地下管線材質(zhì)較大的彈性模量會(huì)使得其產(chǎn)生較小應(yīng)力，與此同時(shí)加強(qiáng)了地下管線與周邊土層的變形協(xié)調(diào)能力。

圖5 天然氣管道與給水管線沉降量隨施工時(shí)間的變化曲線

3 有限元分析

3.1 三維數(shù)值模型

利用有限元軟件建立三維數(shù)值模型，寬度240m，縱向長(zhǎng)度120m，高度80m。模型的邊界條件：模型四周為法向約束邊界，模型底部為固定約束邊界，模型頂部為自由邊界。土體本構(gòu)模型選擇Drucker-Prager，利用8節(jié)點(diǎn)單元；首道混凝土內(nèi)支撐和冠梁選擇軟件內(nèi)置的BEAM單元，樁和第2～4道鋼管內(nèi)支撐選擇軟件內(nèi)置的BEAM單元中的pipe單元；地下管線選擇軟件內(nèi)置的BEAM單元中的pipedan單元；其余梁選擇桿單元。圍護(hù)結(jié)構(gòu)的本構(gòu)模型選擇線彈性模型。

3.2 施工過程模擬

對(duì)地鐵車站施工的模擬共4個(gè)工況。工況1：對(duì)第2～4道內(nèi)支撐設(shè)置預(yù)應(yīng)軸力，分別為960，1170，900kN，并凍結(jié)這3道內(nèi)支撐。隨后給土體施加初始應(yīng)力，同時(shí)重置土體初始位移為0；工況2：開挖土體至預(yù)設(shè)深度，開挖步長(zhǎng)設(shè)為1m，共設(shè)置6步，隨后激活第2道內(nèi)支撐；工況3：開挖土體至預(yù)設(shè)深度，開挖步長(zhǎng)設(shè)為1m，共設(shè)置6步，隨后激活第3道內(nèi)支撐；工況4：開挖土體至預(yù)設(shè)深度，開挖步長(zhǎng)設(shè)為1m，共設(shè)置5步，隨后激活第4道內(nèi)支撐。

3.3 模擬值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的對(duì)比

圖6～圖9分別給出了上述被監(jiān)測(cè)地下管線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比曲線。對(duì)于經(jīng)過懸吊保護(hù)處理的管線的對(duì)比（圖6），從圖6可看出，該地下管線實(shí)測(cè)的沉降量峰值5mm，數(shù)值模擬的沉降量峰值5.8mm，均小于20mm的警報(bào)值。且地下管線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化規(guī)律基本一致，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果略小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果。這是因?yàn)閷?duì)地鐵車站施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)未考慮上部運(yùn)行車輛、初支回填注漿等作用。

圖6 電信管塊沉降量實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

對(duì)于經(jīng)過永久改遷處理的排水管線1～4（圖7、圖8），從圖中可看出，該排水管線實(shí)測(cè)的沉降量峰值9.2mm，數(shù)值模擬的沉降量峰值9.7mm，均小于10mm的警報(bào)值。且排水管線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化規(guī)律同樣基本一致。進(jìn)一步觀察對(duì)比圖可知，當(dāng)車站基坑開挖至2m深度時(shí)，地下管線沉降量和沉降速率均較小；當(dāng)車站基坑開挖至6m深度時(shí)，地下管線沉降緩慢增大；當(dāng)車站基坑開挖至12m深度時(shí)，地下管線沉降速率顯著增大；當(dāng)車站基坑開挖至18m深度時(shí)，地下管線沉降已趨于穩(wěn)定。當(dāng)開挖深度較淺或小于地下管線埋深時(shí)，基坑開挖引起的擾動(dòng)對(duì)地下管線影響較小，因此該階段地下管線沉降較小。當(dāng)開挖深度接近或超過地下管線埋深時(shí)，基坑開挖引起的土體擾動(dòng)、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形等因素對(duì)地下管線產(chǎn)生顯著的疊加影響，導(dǎo)致地下管線沉降變化顯著；當(dāng)基坑開挖至基坑底部時(shí)，不同影響因素對(duì)地下管線的影響作用已趨于穩(wěn)定，因此沉降量變化有限，沉降量趨于穩(wěn)定。

圖7 排水管1和2沉降量實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

圖8 排水管3和4沉降量實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

對(duì)于天然氣管道和給水管道（圖9），從圖9可看出，天然氣管道和給水管道的沉降量峰值均小于10mm的警報(bào)值。如圖9，給水管線數(shù)值模擬的沉降量曲線較為平滑，而現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的沉降量曲線出現(xiàn)波動(dòng)起伏。這同樣是因?yàn)檐囌緦?shí)際施工時(shí)上部運(yùn)行車輛、初支回填注漿等作用。但地下管線的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的總體變化規(guī)律基本一致。

圖9 給水管、天然氣管沉降量實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比

綜上所述，不同管線沉降量的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)均基本一致，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，且所研究的地下管線沉降均在警報(bào)值內(nèi)，均處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）車站基坑開挖準(zhǔn)備期間，管線沉降速率及沉降量均較小；車站基坑開挖至底板施工完畢期間，管線的沉降值和沉降速率均最大；車站地下主體結(jié)構(gòu)完工階段，管線沉降量變化不大。

（2）在地下管線在一定埋深下，地下管線的沉降量隨h/d的增大而增大；地下管線的沉降量隨著管線材質(zhì)的彈性模量的增大而減小。

（3）不同管線沉降量的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)均基本一致，驗(yàn)證了有限元模型的正確性。且所研究的地下管線沉降均在警報(bào)值內(nèi)，均處于安全狀態(tài)。