地铁车站基坑施工对周边管线的影响

2022-07-18杨本亮

水科学与工程技术 2022年3期

杨本亮

（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，合肥 230088）

城市交通拥堵现象越来越严重，催生了一种新型城市轨道交通——地铁。地铁因其便利性、节能性、准时性等优点，被世界各国大型城市大力兴建。作为枢纽的地铁车站基坑施工会对周边环境产生不利影响。基坑开挖实则为卸载过程，卸载量随着土体的开挖越来越大，可能引起基坑支护结构变形、地表沉降、土体隆起等不利影响。因此，基坑施工对周边环境的影响问题已成为当前研究的热点之一。

众多的科研工作者针对基坑开挖对周边环境影响的问题做了一系列研究。李大勇等［1］基于软土地区某深基坑工程，利用有限元软件ABAQUS建立三维数值模型，分析了基坑开挖对临近管线变形的影响，并提出了有效的施工措施保护管线。龚江飞［2］以某临近文物建筑的深基坑为研究对象，利用数值手段研究了深基坑开挖对周边文物建筑的影响，针对文物建筑较大变形的位置，提出响应的有效措施控制变形。刘国彬等［3］以某采用地下连续墙围护结构的地铁车站为背景，通过对地铁车站围护结构施工期间周边建筑物的沉降监测，获得了地下连续墙成槽期间周边建筑物的沉降规律。张陈蓉等［4］通过现场监测，分析了基坑开挖对邻近地下管线变形的影响，并基于此提出了相应的变形控制标准。杨卓等［5］以某临近建筑物的地铁车站基坑工程为研究对象，通过现场监测和数值模拟相结合的方法，获得了地铁车站施工过程中周边建筑物的沉降规律。史春乐等［6］、高彦斌等［7］通过不同的研究方法探讨了基坑施工对周边环境的影响。

基于某临近地下管线的地铁车站施工的工程背景，通过对施工过程的现场监测和有限元模拟，获得了不同管线在地铁车站施工下的沉降规律。

1 工程概况

本文研究的地铁车站所处地段环境复杂，交通拥堵，车流量较大。车站东边为超高写字楼和商场，车站西边为医院。周边地下管线较为密集复杂，主要有污水管、给水管、电力电缆、排水管。天然气管线等。本文现场监测的地下管线具体情况如表1。地铁车站所处地区的工程地质情况如表2。

表1 现场监测的地下管线具体情况

续表1

表2 工程地质情况

2 现场监测方案及结果分析

为研究半铺盖法施工地铁车站对周边地下管线的影响，在地铁车站施工期间，对采取临时悬吊的管线和围护结构边的管线开展现场监测，具体如表3。

表3 现场监测的内容

由于本车站所处地区的地质条件不佳，且地铁车站施工范围内的周边管线较为密集，通过施工过程中对管线沉降的监测以评估其安全性。根据相关规定的要求，监测点的布置时机应在车站基坑支护结构完成施工至基坑开挖施工前，同时经过几次监测获得初始值。对上述两个需要观测的内容每天都至少需要观测一次，如果遇到观测结果异常的，应增加观测次数。当现场监测的变形结果超过控制标准时，每天观测次数不应少于2次，直至变形趋于稳定。

由于周边管线变形的影响因素众多，如地铁车站的施工工序、地铁车站与临近管线的距离、管线自身的埋设深度等，本文根据工程实际情况，选取部分典型管线的观测结果进行分析。图1给出了现场观测点的位置。

图1 现场观测点的位置图

图2给出了经过悬吊保护处理的管线的沉降量随施工时间的变化曲线，主要绘制了DX1和DX2两个测点的沉降量。如图2所示，现场观测期间，DX1和DX2两测点的沉降量峰值分别为5mm和4.4mm。沉降曲线的变化规律基本一致：观测管线的沉降量在监测初期缓慢增大，随后沉降速率显著增大，最终沉降变化逐渐趋于稳定，沉降量稳定在一定范围内。这说明车站基坑施工工序对地铁车站周边管线的沉降值有显著影响。结合已有研究发现，地铁车站施工过程对周边管线沉降的主要影响分为3个阶段：第一阶段为车站基坑开挖准备期间，第二阶段为车站基坑开挖至底板施工完毕期间，第三阶段为车站地下主体结构完工阶段。进一步观察图中曲线可知，从8月24日起至11月4日，DX1和DX2两个测点沉降量显著增大，此后地下管线沉降量趋于稳定，即第二阶段（车站基坑开挖至底板施工完毕期间）的沉降值和沉降速率均最大，而第一阶段（车站基坑开挖准备期间）沉降速率及沉降量均较小，第三阶段（车站地下主体结构完工阶段）沉降量变化不大。从图2中整个观测期间可见，地铁车站周边管线的变形随着基坑开挖深度的增大逐渐增大，但随着内支撑的逐渐施工，地下管线的变形幅度逐渐减小且变形最终趋于稳定。

图2 经过悬吊保护处理的管线的沉降量随施工时间的变化曲线

图3和图4分别给出了经过永久改迁处理的排水管线1，2，3，4的沉降量随施工时间的变化曲线。从图中可见，排水管线1～4的沉降量峰值分别为4.5，9.4，8.8，6mm。图中所研究的排水管线材质相同，但管线管径和埋深均不相同，不同排水管线沉降量的差别表明排水管线的排水管线对其有显著影响。排水管线1的h/d=3.96（埋深/管径）、排水管线2的h/d=4.74、排水管线2的h/d=4.60、排水管线2的h/d=4.48，可见，在地下管线在一定埋深下，地下管线的沉降量随h/d的增大而增大。而排水管线2和排水管线3的沉降量大于排水管线1和排水管线4的沉降量，这与地下管线所处位置所对应的车站围护结构的变形有关。

图3 排水管线1和2的沉降量随施工时间的变化曲线

图4 排水管线3和4的沉降量随施工时间的变化曲线

图5给出了天然气管道与给水管线沉降量随施工时间的变化曲线，该天然气管道与给水管线均经过临时改迁方法的保护处理。给水管线的沉降量峰值6.1mm，天然气管道的沉降量峰值3.5mm。图2中的地下管线为光纤/铜制造，图3、4中的排水管线为混凝土制造，图5中天然气管道与给水管线都为铸铁制造。对比图2～图5可发现，地下管线整体沉降量大小排序如下：图5＜图2＜图4＜图3，即铸铁材质的地下管线沉降量＜光纤/铜材质的地下管线沉降量＜混凝土材质的地下管线沉降量，这表明地下管线的材质同样对地下管线的变形有影响，且地下管线的沉降量随着管线材质的弹性模量的增大而减小。这是因为地下管线材质的弹性模量越小，其抵抗变形的能力越差，管线的应力越小；反之地下管线材质较大的弹性模量会使得其产生较小应力，与此同时加强了地下管线与周边土层的变形协调能力。

图5 天然气管道与给水管线沉降量随施工时间的变化曲线

3 有限元分析

3.1 三维数值模型

利用有限元软件建立三维数值模型，宽度240m，纵向长度120m，高度80m。模型的边界条件：模型四周为法向约束边界，模型底部为固定约束边界，模型顶部为自由边界。土体本构模型选择Drucker-Prager，利用8节点单元；首道混凝土内支撑和冠梁选择软件内置的BEAM单元，桩和第2～4道钢管内支撑选择软件内置的BEAM单元中的pipe单元；地下管线选择软件内置的BEAM单元中的pipedan单元；其余梁选择杆单元。围护结构的本构模型选择线弹性模型。

3.2 施工过程模拟

对地铁车站施工的模拟共4个工况。工况1：对第2～4道内支撑设置预应轴力，分别为960，1170，900kN，并冻结这3道内支撑。随后给土体施加初始应力，同时重置土体初始位移为0；工况2：开挖土体至预设深度，开挖步长设为1m，共设置6步，随后激活第2道内支撑；工况3：开挖土体至预设深度，开挖步长设为1m，共设置6步，随后激活第3道内支撑；工况4：开挖土体至预设深度，开挖步长设为1m，共设置5步，随后激活第4道内支撑。

3.3 模拟值与实际监测值的对比

图6～图9分别给出了上述被监测地下管线的数值计算结果与现场监测结果的对比曲线。对于经过悬吊保护处理的管线的对比（图6），从图6可看出，该地下管线实测的沉降量峰值5mm，数值模拟的沉降量峰值5.8mm，均小于20mm的警报值。且地下管线的数值计算结果与现场监测结果的变化规律基本一致，现场监测结果略小于数值计算结果。这是因为对地铁车站施工过程进行数值模拟时未考虑上部运行车辆、初支回填注浆等作用。

图6 电信管块沉降量实测值和模拟值对比

对于经过永久改迁处理的排水管线1～4（图7、图8），从图中可看出，该排水管线实测的沉降量峰值9.2mm，数值模拟的沉降量峰值9.7mm，均小于10mm的警报值。且排水管线的数值计算结果与现场监测结果的变化规律同样基本一致。进一步观察对比图可知，当车站基坑开挖至2m深度时，地下管线沉降量和沉降速率均较小；当车站基坑开挖至6m深度时，地下管线沉降缓慢增大；当车站基坑开挖至12m深度时，地下管线沉降速率显著增大；当车站基坑开挖至18m深度时，地下管线沉降已趋于稳定。当开挖深度较浅或小于地下管线埋深时，基坑开挖引起的扰动对地下管线影响较小，因此该阶段地下管线沉降较小。当开挖深度接近或超过地下管线埋深时，基坑开挖引起的土体扰动、基坑围护结构的变形等因素对地下管线产生显著的叠加影响，导致地下管线沉降变化显著；当基坑开挖至基坑底部时，不同影响因素对地下管线的影响作用已趋于稳定，因此沉降量变化有限，沉降量趋于稳定。

图7 排水管1和2沉降量实测值和模拟值对比

图8 排水管3和4沉降量实测值和模拟值对比

对于天然气管道和给水管道（图9），从图9可看出，天然气管道和给水管道的沉降量峰值均小于10mm的警报值。如图9，给水管线数值模拟的沉降量曲线较为平滑，而现场监测的沉降量曲线出现波动起伏。这同样是因为车站实际施工时上部运行车辆、初支回填注浆等作用。但地下管线的数值计算结果与现场监测结果的总体变化规律基本一致。