地鐵車站基坑施工對周邊管線的影響

楊本亮

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

城市交通擁堵現(xiàn)象越來越嚴(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)時性等優(yōu)點，被世界各國大型城市大力興建。作為樞紐的地鐵車站基坑施工會對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響?；娱_挖實則為卸載過程，卸載量隨著土體的開挖越來越大，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，基坑施工對周邊環(huán)境的影響問題已成為當(dāng)前研究的熱點之一。

眾多的科研工作者針對基坑開挖對周邊環(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象，利用數(shù)值手段研究了深基坑開挖對周邊文物建筑的影響，針對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，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)場監(jiān)測，分析了基坑開挖對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象，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(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，通過對施工過程的現(xiàn)場監(jiān)測和有限元模擬，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，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)場監(jiān)測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)場監(jiān)測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)場監(jiān)測方案及結(jié)果分析

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

表3 現(xiàn)場監(jiān)測的內(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，通過施工過程中對管線沉降的監(jiān)測以評估其安全性。根據(jù)相關(guān)規(guī)定的要求，監(jiān)測點的布置時機(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，同時經(jīng)過幾次監(jiān)測獲得初始值。對上述兩個需要觀測的內(nèi)容每天都至少需要觀測一次，如果遇到觀測結(jié)果異常的，應(yīng)增加觀測次數(shù)。當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測的變形結(jié)果超過控制標(biāo)準(zhǔn)時，每天觀測次數(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)工程實際情況，選取部分典型管線的觀測結(jié)果進(jìn)行分析。圖1給出了現(xiàn)場觀測點的位置。

圖1 現(xiàn)場觀測點的位置圖

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間的變化曲線，主要繪制了DX1和DX2兩個測點的沉降量。如圖2所示，現(xiàn)場觀測期間，DX1和DX2兩測點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：觀測管線的沉降量在監(jiān)測初期緩慢增大，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周邊管線沉降的主要影響分為3個階段：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DX2兩個測點沉降量顯著增大，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中整個觀測期間可見，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的沉降量隨施工時間的變化曲線

圖4 排水管線3和4的沉降量隨施工時間的變化曲線

圖5給出了天然氣管道與給水管線沉降量隨施工時間的變化曲線，該天然氣管道與給水管線均經(jīng)過臨時改遷方法的保護(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。這是因為地下管線材質(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??；反之地下管線材質(zhì)較大的彈性模量會使得其產(chǎn)生較小應(yīng)力，與此同時加強(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

對地鐵車站施工的模擬共4個工況。工況1：對第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 模擬值與實際監(jiān)測值的對比

圖6～圖9分別給出了上述被監(jiān)測地下管線的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的對比曲線。對于經(jīng)過懸吊保護(hù)處理的管線的對比（圖6），從圖6可看出，該地下管線實測的沉降量峰值5mm，數(shù)值模擬的沉降量峰值5.8mm，均小于20mm的警報值。且地下管線的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的變化規(guī)律基本一致，現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果略小于數(shù)值計算結(jié)果。這是因為對地鐵車站施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬時未考慮上部運行車輛、初支回填注漿等作用。

圖6 電信管塊沉降量實測值和模擬值對比

對于經(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，該排水管線實測的沉降量峰值9.2mm，數(shù)值模擬的沉降量峰值9.7mm，均小于10mm的警報值。且排水管線的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的變化規(guī)律同樣基本一致。進(jìn)一步觀察對比圖可知，當(dāng)車站基坑開挖至2m深度時，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，地下管線沉降緩慢增大；當(dāng)車站基坑開挖至12m深度時，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，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，基坑開挖引起的擾動對地下管線影響較小，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，基坑開挖引起的土體擾動、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形等因素對地下管線產(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，不同影響因素對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沉降量實測值和模擬值對比

圖8 排水管3和4沉降量實測值和模擬值對比

對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)場監(jiān)測的沉降量曲線出現(xiàn)波動起伏。這同樣是因為車站實際施工時上部運行車輛、初支回填注漿等作用。但地下管線的數(shù)值計算結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的總體變化規(guī)律基本一致。

圖9 給水管、天然氣管沉降量實測值和模擬值對比

綜上所述，不同管線沉降量的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢均基本一致，驗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值內(nèi)，均處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)語

（1）車站基坑開挖準(zhǔn)備期間，管線沉降速率及沉降量均較??；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)場監(jiān)測結(jié)果的變化趨勢均基本一致，驗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值內(nèi)，均處于安全狀態(tài)。