? 某地铁车站深基坑开挖对临近管线的影响分析邹 淼，吴禄源，王 磊 (西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054) 摘 要:半铺盖体系法进行地铁车站施工首次在西安地区应用，为了研究半铺盖体系基坑开挖对临近管线的影响，以西安地铁4号线某车站基坑为工程背景，对迁改后的管线沉降进行现场监测分析。得出管线沉降随时间的变化规律，在基坑开挖及底板施工阶段，管线沉降速率较大，施工需以信息化施工为主。借助ANSYS软件建立有限元模型，并依据实际工况设置模型监测点，对比分析现场监测结果和数值模拟结果，得出管线的沉降规律。同时，对基坑不同的分步开挖深度进行模拟，得出管线沉降受分步开挖深度影响较大，基坑开挖及底板施工阶段需引以重视。 关键词:地铁;基坑开挖;地下管线;沉降;管线迁改;数值模拟 我国正处于国民经济的高速发展时期，各大城市交通轨道建设也处于蓬勃发展阶段。目前，西安多条地铁线路同时施工，并首先采用了半铺盖法进行施工，地铁施工影响邻近管线的问题已成为地铁施工的重点和难点。由于地铁施工多处于城市繁华路段，开挖时引起的邻近天然气管道泄露、水管爆裂、电缆断裂等情况对城市居民生活影响很大，造成的损失和不便更是难以估量。所以，如何在施工中有效控制开挖，保护邻近管线的安全，以及出现问题如何处理已经成为地铁工程施工中迫切需要解决的问题。基坑开挖对邻近管线的影响分析现有的研究一般分为两类，一类是采用有限元数值分析的方法进行建模以实现基坑的实际开挖施工过程，如Ahmed等人［1］采用有限元计算方法模拟了深沟渠开挖时对邻近管线的影响;李大勇等［2］采用三维有限元研究了软土地基深基坑对临近管线的影响。第二类是张陈蓉等［3］所使用的位移控制分析方法。在安全管理方面，吴贤国［4］等人建立了地下管线安全管理评价体系。以西安地铁4号线某车站为工程背景，对半铺盖体系施工现场受到影响的地下管线采取迁改措施，并对这些管线进行沉降监测和分析。通过ANSYS有限元建立开挖模型，模拟开挖的各个工况，最后将模拟值和实际监测值进行对比分析。 1 工程概况1.1 工程简介 本地铁车站为西安地铁4号线的一般车站，所在路段车流量大，交通繁忙，采用半铺盖法进行施工。 车站为西安地铁4号线与地铁6号线预留的换乘条件。站位西侧为写字楼和饭店，东侧为某公司家属院。本车站附属结构共设4个出入口通道(1号出入口为预留)、2个消防通道、2组风道。工程地质情况见表1。 表1 土层划分和岩性特征  岩土名称 层厚/m 埋深/m 岩层状态 岩层成分杂填土 0.5～8.4 0.5～8.4 中密 上部为混凝土或沥青路面，下部以黏性土夹大量灰渣、砖屑等组成素填土 0.6～5.3 0.6～6.1 可塑 上部以路基垫层为主，下部以黏性土夹大量灰渣、砖屑等组成新黄土 0.3～8.2 7.0～9.2 可塑 湿陷性黄土新黄土 1.2～5.0 7.0～10.1 软塑 湿陷性软土古土壤 2.0～7.2 9.0～14.3 软塑 含大量钙质网膜、蜗牛碎壳、云母片、钙质结核等老黄土 5.9～12.5 19.5～23.9 可塑 含蜗牛碎壳、云母片、钙质结核等古土壤 1.1～7.3 21.2～27.7 可塑 含蜗牛碎壳、云母片、钙质结核等，中部夹有1.0 m厚的黄土粉质黏土 最大层厚23.5 最大埋深45 可塑 含铁锰质斑点、蜗牛碎壳、云母片、钙质结核等，局部夹薄层中砂 1.2 管线分布情况 该车站地下管线主要有给水管、排水管、污水管、电信光缆、电力电缆、路灯管线、天然气管线共计16种。其中，绝大多数管线沿南北走向，位于车站主体结构的东西两侧。管线规格情况见表2，车站横断剖面图中管线的位置见图1。 表2 车站管线规格及迁改措施  序号 管线编号 名称 规格 材质及埋设方式 埋深/m 迁改长度 备注1 DX1 电信管块 400×500 光纤 1.66 悬吊保护42 m 2 DL1 路灯电力 1条220 V 直埋铜 0.50 临时拆除180 m 恢复180 m 3 DX2 电信管块 800×300 铜/光 1.50 永久迁改217 m 4 GS1 给水管 DN600 铸铁 1.90 临时迁改240 m 拆除240 m 5 DL2 路灯电力 1条220 V 直埋铜 0.57 临时拆除180 m 恢复180 m 6 PS1 排水管 DN400 混凝土 1.58 永久迁改240 m 7 PS2 排水管 DN400 混凝土 1.89 永久迁改240 m 8 PS3 排水管 DN1500 混凝土 6.88 永久迁改240 m 9 PS4 排水管 DN1500 混凝土 6.71 永久迁改240 m 10 DL3 路灯电力 220 V 直埋铜 0.50 临时拆除180 m 恢复180 m 11 DL4 电力线 10 kV 架空线铜 架空 永久迁改190 m 12 TR 天然气管 DN400 铸铁 1.50 临时迁改6 m 13 DL5 路灯电力 220 V 直埋铜 0.50 临时拆除180 m 恢复180 m 14 GS2 给水管 DN1000 铸铁 2.09 暗挖通道6 m 15 DL6 路灯电力 220 V 直埋铜 0.50 临时拆除180 m 恢复180 m 16 XD 信线电 直埋铜/光 1.00 暗挖通道6 m  图1 车站中间段的横剖面 2 管线迁改措施［5］2.1 管线迁改原则［6］ (1)改迁时主要管线应尽可能短，还应尽量避让，原则上能永久不临时，能临时不悬吊，改迁线路完成后才可拆除原管线。 (2)一般沿车站基坑纵向布设的管线均须改移，垂直车站基坑方向的管线，原则上混凝土、砖砌材质的管线需改移，对于抗变形能力强或电信管等柔性材质管线，可采取悬吊保护措施［7］。 (3)根据地下主体工程的施工顺序和周围环境设计管道的迁改方案，迁改尽量一次到位，避免不必要的多次迁改。迁改措施应遵循安全、合理、实用、经济的原则，保证施工和地下管线在施工期间运行的安全。 2.2 管线迁改措施 对受施工影响的管线应按照市政管线部门所规定的要求进行迁改，可采取悬吊保护、改迁、土体加固、拆除等措施。各管线迁改措施见表2。 (1)悬吊保护方案。管线悬吊以前，应注意管线的外部保护，防止受冻或老化。悬吊结构必须坐落在坚实、稳定可靠的支墩上，悬吊吊架的吊杆必须受力均匀，并保持管道的原有坡度。跨越基坑的悬吊管线两端应伸入基坑外边缘距离不小于1.5 m，悬吊管线周边的支护应加强。由于电信管块DX1质量轻，允许变形挠度大，故采取钢丝绳悬吊保护。悬吊拉杆按0.5 m间距布置，悬吊拉杆与管线接触部位采用柔性材料包裹，防止拉杆将电缆损坏并起到绝缘的作用。见图2。  图2 钢丝绳悬吊管线示意 (2)永久改迁和临时改迁保护方案。永久改迁是将管线一次性迁改到位，临时改迁是待地铁施工完毕后还恢复至原管线位置的迁改方式。这两种方案都是将施工中有冲突的管线进行改道使其绕出施工围挡范围之外的改迁措施。改迁时应保证各管线与其他管线及建筑物的净距符合要求［8］。改迁时为了提高管线的刚度和抵抗变形的能力，可以采用更换现有管线材料、更换接头、设置伸缩节等措施。当给水或排水管道错动较大出现接头漏水时，可将管道调直后，用快干水泥或聚氨酯堵漏封堵接头部位，直到不漏水时再进行处理，拐弯处还需要进行重新固定。当天然气管道出现破损时，可先采用管箍进行包裹处理，然后将脱落的接头恢复并在管口缠上密封胶带。处理完成并查明原因后再进行管道复位，复位后对管道四周基础进行加固，避免移位。本车站DX2、PS1－4、DL4采用永久改迁，GS1、TR采用临时改迁。管线迁改示意见图3。  图3 管线迁改示意 2.3 现场监测和数据分析 为了评价半铺盖法施工对各管线的影响，施工期间对表3中的项目进行了全面监测。监测时间为2014年3月25日至2015年1月15日。 本车站地质条件较差，车站基坑开挖影响范围内陆下管线较多，通过施工监控量侧以分析各类地下管线的安全。测点应根据有关部门的要求设置，测点埋设必须在围护结构施工结束、基坑开挖开始前进行，并经过2～3次观测测定初始值。工作基点和增设工作基点的初始值和校核复测由系统控制网施测。由于视线影响，场地围蔽外测点只进行沉降观测。及时对量测数据进行整理，绘制出沉降量随施工时间推移的各测点沉降累计值曲线。 表3 车站管线监测项目  量测项目 位置或检测对象 测试元件 检测精度 备注采取临时悬吊的管线沿管线轴向和桁架上经纬仪水准仪 ±1 mm 必测围护结构边管线 沿管线轴向 经纬仪水准仪 ±1 mm 必测 车站需监测的项目均以1～2次/d的频率来监测，如遇到异常情况增加监测频率。当实测变形值大于控制标准或2/3控制标准时，每天观测2次，直到监测值基本稳定。 影响地下管线的因素很多，主要有基坑的开挖步骤、管线的埋深、临近围护结构位移、管线的材质等［9］。本文也根据以上影响因素，选取了一些具有代表性的管线进行监测研究与分析，由于监测点较多，本文只选取每根管线的两个监测点来进行分析说明，所选取的监测点位置如图4所示。  图4 管线监测点布置 图5所示为电信管块进行悬吊保护处理后的管线沉降情况，DX1的最大沉降量为5 mm，DX2的最大沉降量为4.4 mm。沉降变化开始增加缓慢随后沉降速率变大，之后又趋于平缓，使沉降量保持在一定数据范围内。这说明地下管线的沉降量与开挖的步骤有很大的关系。在施工过程中主要有3个施工阶段［10］会出现沉降，基坑开挖准备阶段，基坑开挖、垫层及底板施工阶段和地下主体结构施工阶段。从地下管线沉降的监测数据来看，从2013年8月24日起沉降速率增大较快，直到2013年11月4日数据开始趋于平稳，即在基坑开挖、垫层及底板施工阶段沉降速率和沉降量最大，而在准备开挖阶段沉降速率较小，并最终在地下结构施工阶段沉降量趋于平稳。而从图像整体而言，沉降量是一个逐渐增加的过程，这说明随开挖深度增加，地下管线的沉降在不断增加，而对于支撑体系，由于内支撑的作用使沉降量最终大幅减少趋于平稳。  图5 电信管块沉降量 图6和图7为排水管线沉降量，排水管线均采用永久改迁的处理方法。PS1最大沉降量为4.5 mm，PS2最大沉降量为9.4 mm。PS3最大沉降量为8.8 mm，PS4最大沉降量为6 mm。这4根管线均为排水管，材料均相同，埋深和管径不同，而沉降量差别较大。说明管线的沉降与管线的埋深和管径的比值(h/d)有关。PS1的h/d = 3.95，PS2的h/d = 4.73，PS3的h/d=4.59，PS4的h/d = 4.47.即在一定范围内的埋深下，埋深与管径的比值越大沉降量越大。PS2与PS3沉降量略大于PS1和PS4，这与排水管所在位置的临近围护结构的位移有关。  图6 排水管1、2沉降量  图7 排水管3、4沉降量 图8所示为给水管道与天然气管道沉降量情况，这两根管线均采用临时改迁的方法进行保护处理。GS1最大沉降量6.1 mm，TR最大沉降量为3.5 mm。图5中电信管块的材料为光纤/铜，图6和图7排水管的材料为混凝土，图8中管线的材料均为铸铁。观察4幅图的整体沉降量可以发现，图6＞图7＞图5＞图8，这说明，管线的沉降还与管线的材质有关。材料为混凝土的管线沉降量最大，材料为铸铁的沉降量最小。由此可得出结论，管线的弹性模量越大，管线的沉降量越小。管线的弹性模量越大抵抗变形的能力就越强，会产生较大的应力;反之弹性模量越小，产生的应力较小，但管线与土体的变形协调能力越强。  图8 给水管与天然气管沉降量 除以上讨论的因素之外，李大勇［11］等人还进行了地基下卧层土质、地下管线与基坑边距离、管线与周围土质的相对刚度比等因素对管线影响的研究，限于篇幅在此不一一进行讨论。 3 数值分析［12-13］3.1 模型的建立 取半铺盖基坑区域的一半用ANSYS建立数值模型。为了减少边界对开挖基坑的影响，基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3倍，影响深度约为开挖深度的2～3倍。因此计算模型尺寸为240 m×120 m× 80 m。两侧边界采用水平铰支约束，下端边界采用固支约束。土体采用3D-solid 8节点单元Drucker-Prager模型，冠梁、第一道混凝土支撑采用BEAM单元，军用梁使用杆单元，第二、三、四钢管支撑和桩采用beam单元中的pipe单元，管道采用beam单元中的pipedan单元。军用梁、桩、第一道混凝土支撑和钢管支撑采用线弹性本构模型。 3.2 施工模拟 5种工况建立并计算基坑和铺盖体系的本构模型。工况1是对第2、3、4道横撑分别加载960、1 170、900 kN的预应轴力，然后将这3道横撑的单元杀死。然后施加土体的初始应力，并把土体的初始位移设置为0。工况2即开挖第一步，设置开挖步长为1 m，共6步。开挖达到要求深度后，消除第2道横撑的杀死命令。工况3即开挖第二步，始开挖步长为1 m，共6步。开挖达到要求深度后，消除第3道横撑的杀死命令。工况4即开挖第三步，始开挖步长为1 m，共5步。开挖达到要求深度后，消除第4道横撑的杀死命令。 3.3 模拟值与实际监测值的对比 图9～图12为各管线实际监测值与计算模拟值的对比曲线。图7中电信管块实测的最大沉降为5 mm，模拟的最大沉降值为5.8 mm，小于报警值20 mm。通过与监测结果的对比发现，管线沉降模拟结果与实际测量数据趋势上基本吻合，计算结果略大于实测数据。这主要是由于数值模拟中未考虑到施工中的初支回填注浆作用、铺盖体系上部车辆荷载及施工过程中水位变化所引起的固结沉降等的影响。 图9 电信管块沉降量实测值和模拟值对比 图10中排水管线模拟的最大沉降值为9.7 mm，图11中排水管线模拟的最大沉降值为9.2 mm，均小于报警值10 mm。管线模拟的沉降变化与实测管线的沉降变化规律大致吻合。管线的沉降与开挖步骤息息相关，这里分别选取开挖深度2、6、12 m和18 m对数据进行分析。开挖深度为2 m时管线的沉降变化很小，6 m时沉降开始缓慢增加，12 m时沉降量增加剧烈，18 m时沉降量基本不再变化开始趋于平稳。在开挖准备阶段或刚刚开始开挖至管线埋深之前，管线受到的土体扰动较小，所以沉降变化很小。而在开挖至管线埋深深度或超过管线埋深深度时，管线受地表沉降、地层变形、地下水压力、临近周边围护结构位移等因素的影响导致沉降量增加剧烈。最终在开挖将至基底时，各因素的影响作用已稳定，沉降变化量很小可以忽略，最终沉降量趋于一个平稳值。 图12为给水管道与天然气管道的实测值与模拟值对比曲线，模拟管线的最大沉降值为7.1 mm，小于报警值10 mm。管线实测值与模拟值变化趋势大致相同。图中GS1模拟值的变化比较平顺光滑，逐渐增加，而实际监测值呈现出起伏性、回弹性。造成这种实测值和模拟值有一定出入的原因是由于施工场地环境复杂，管线可能受到地层变形、开挖时管道的倾斜、铺盖上部行驶的车辆产生的冲击荷载等不确定因素的影响，而这些影响因素在数值模拟中是难以考虑周全的。但这样的起伏并不影响曲线变化的总趋势，所以也认为是安全合理的。 图10 排水管1、2沉降量实测值和模拟值对比 图11 排水管3、4沉降量实测值和模拟值对比 图12 给水管、天然气管沉降量实测值和模拟值对比 从以上分析可知，在模拟基坑开挖的过程中，各管线最大沉降值均未超过报警值且沉降量变化规律与实测变换规律趋势大致相同，所以地下管线一直处于安全稳定的状态。 4 结论(1)管线的迁改要配合地铁施工的建设工期及疏解交通的进度，保证管线使用的要求及安全性，迁改的方案也应结合管线特点、协调施工现场和周边环境的实际情况进行设计。 (2)由管线的监测数据得出，管线在开挖准备阶段沉降速率和沉降量较小，在基坑开挖、垫层及底板施工阶段沉降速率和沉降量剧烈增大，在地下结构施工阶段沉降量趋于平稳。 (3)经过迁改的管线沉降量均未超过报警值，说明管线在基坑开挖过程中一直处于安全稳定状态。即采取的迁改措施安全合理，具有可操作性，以后的工程中遇到类似问题可以借鉴。 (4)管线沉降的数值模拟值与现场实测值基本吻合，说明有限元计算方法可以较准确地模拟基坑开挖对管道的影响。 参考文献: ［1］AHMED I.Pipeline response to excavation－induced ground 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Impact Analysis of Deep Metro Foundation Pit Excavation on Adjacent Underground Pipelines ZOU Miao，WU Lu-yuan，WANG Lei Abstract:Semi-covering method is first used in Xi'an metro construction.In order to understand the impact of the excavation on adjacent pipelines，this paper analyzes the monitoring data of relocated pipelines related to a certain foundation pit of Xi'an metro line four and identifies the variation of pipeline sedimentation.During foundation pit excavation and plate construction，the sedimentation rate is the largest and the construction must be supported with sufficient and effective information.Monitoring points are set up according to actual conditions with the help of ANSYS finite element and sedimentation patterns are obtained via comparison and analysis of site monitoring data and numerical simulation.Meanwhile，the simulation of step-by-step excavation depth shows that pipeline sedimentation is greatly influenced by the depth of step-by-step excavation. Key words:Metro; Foundation pit excavation; Underground pipeline; Settlement; Pipeline resettlement; Numerical simulation 作者简介:邹 淼(1992—)，女，硕士研究生，E-mail:550263242 @ qq.com。 基金项目:国家自然科学基金青年基金(51404193) 收稿日期:2015-08-11;修回日期:2015-09-18 文章编号:1004-2954(2016) 03-0106-06 中图分类号:U231+.4 文献标识码:A DOI:10.13238/j.issn.1004－2954.2016.03.023 |
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