地鐵車站基坑開挖對燃?xì)夤芫€影響分析及控制措施

周 劍

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

隨著城市化進(jìn)程不斷加快和人口急劇增加，地面交通已不能滿足現(xiàn)有城市發(fā)展節(jié)奏，城市交通向地下發(fā)展成為當(dāng)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(qū)，周邊不僅有辦公建筑和居民小區(qū)，還涉及城市的地下燃?xì)夤艿繹3-8]。如何在燃?xì)夤艿栏浇焖侔踩剡M(jìn)行基坑開挖施工顯得尤為重要。國內(nèi)外學(xué)者針對基坑開挖對管線的影響進(jìn)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(jìn)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(xù)墻開挖過程中附近土體隨開挖深度方向的變形規(guī)律[10]。Crofts等推導(dǎo)了地下管線水平位移的計算方法，認(rèn)為管線水平位移與基坑開挖及支護(hù)有相互影響關(guān)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(xiàn)場調(diào)研、數(shù)值模擬和理論研究等方法對基坑與燃?xì)夤芫€(平行方位與交叉方位)進(jìn)行深入研究，提出了圍護(hù)樁、冠梁和管線遷改等保護(hù)措施，研究成果可為地鐵快速施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

地鐵基坑與地下燃?xì)夤芫€存在兩種典型的關(guān)系，一種為燃?xì)夤芫€平行于基坑，另外一種是燃?xì)夤芫€與基坑交叉，如圖1所示。

圖1 基坑與管線典型方位關(guān)系

1.1 十里店站概況

成都地鐵8號線一期工程6標(biāo)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(jié)構(gòu)頂板覆土厚2.2～3.5 m，總長606 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.1 m，風(fēng)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(jié)構(gòu)基坑采用“φ800/φ1 200/φ1 500鉆孔樁+豎向3道鋼管支撐”的支護(hù)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?xì)夤艿罏镈N325龍東線燃?xì)夤?，其材質(zhì)為鋼，埋深1.1～1.8 m，距離車站主體標(biāo)準(zhǔn)段約為4.5 m，距離主體擴(kuò)大段約為1.6 m。燃?xì)夤茏呦蚱叫杏谲囌荆挥谑锏贶囌局黧w結(jié)構(gòu)北側(cè)中央綠化帶下。十里店站位置與DN325龍東線燃?xì)夤荜P(guān)系見圖2，十里店站與DN325龍東線燃?xì)夤軝M斷面關(guān)系見圖3。

圖2 十里店站與DN325龍東線燃?xì)夤芷矫嫖恢藐P(guān)系(單位：m)

圖3 十里店站與DN325龍東線燃?xì)夤軝M斷面關(guān)系(單位：mm)

1.2 理工大學(xué)站概況

理工大學(xué)站附屬C通道為地下一層矩形框架結(jié)構(gòu)，車站底板埋深約9 m，通道主體標(biāo)準(zhǔn)段寬6.7 m，結(jié)構(gòu)高5.3 m，頂板覆土厚約3.0 m，基坑采用“圍護(hù)樁+內(nèi)支撐+網(wǎng)噴”的支護(hù)體系。

DN325龍東線燃?xì)夤懿馁|(zhì)為鋼，埋深約1.3 m，垂直于C通道，位于理工大學(xué)站主體結(jié)構(gòu)南側(cè)中央綠化下。理工大學(xué)站附屬C口與DN325龍東線燃?xì)夤芷矫婧土⒚骊P(guān)系如圖4、圖5。

圖4 理工大學(xué)站C口與DN325龍東線燃?xì)夤芷矫骊P(guān)系

圖5 理工大學(xué)站C口與DN325龍東線燃?xì)夤芰⒚骊P(guān)系(單位：m)

2 燃?xì)夤芫€控制標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生過度變形而使管段發(fā)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(huán)向變形引起的徑向開裂。

③管段接頭處不能承受過大轉(zhuǎn)角而發(fā)生滲漏。

一般認(rèn)為，地層沉降引起的彎曲應(yīng)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(qiáng)度決定。

本次研究對象DN325龍東燃?xì)夤芫€材質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)和管線應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 燃?xì)夤芫€位移控制標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)相關(guān)技術(shù)規(guī)范、工程標(biāo)準(zhǔn)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(jù)此確定了DN325龍東燃?xì)夤芫€的位移控制標(biāo)準(zhǔn)(如表2所示)。

表1 地下管線位移控制值

表2 燃?xì)夤芫€位移控制標(biāo)準(zhǔn) mm

在車站基坑開挖過程中，燃?xì)夤芫€的變形達(dá)到控制值的70%時，應(yīng)進(jìn)行變形預(yù)警控制；變形達(dá)到控制值的80%時，需停工并采取相應(yīng)的加固措施，以確保燃?xì)夤芫€的安全。

2.2 燃?xì)夤芫€應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)

通過分析可知，彎曲應(yīng)力對管線的受力起控制作用，應(yīng)確保管段中的彎曲應(yīng)力小于容許值，且留有安全余量，此處取安全系數(shù)為5。參考相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范，其容許值見表3。

表3 燃?xì)夤芫€應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn) MPa

3 參數(shù)選取及模型建立

3.1 計算參數(shù)

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

表4 地層物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表5。

表5 材料參數(shù)

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(jìn)行模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用GTS NX內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，圍護(hù)樁、冠梁、圍檁采用梁單元模擬，燃?xì)夤芫€采用板單元進(jìn)行模擬。燃?xì)夤艿纼?nèi)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(xiàn)土體的開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(jìn)行模擬，故截取部分基坑進(jìn)行建模。為了消除邊界影響，視標(biāo)準(zhǔn)段一定范圍之外的管線不受擴(kuò)大段的影響，標(biāo)準(zhǔn)段的寬度為22.1 m，模型標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù)值模擬模型共劃分為185 401個實體單元，119 589個節(jié)點(diǎn)。十里店車站擴(kuò)大段基坑模型如圖6所示。

圖6 十里店車站擴(kuò)大段基坑模型(平行方位)(單位：m)

理工大學(xué)站附屬C通道為地下一層矩形框架結(jié)構(gòu)，車站底板埋深約9 m，通道主體標(biāo)準(zhǔn)段寬6.7 m，結(jié)構(gòu)高5.3 m，頂板覆土厚約3.0 m，采用“圍護(hù)樁+內(nèi)支撐+網(wǎng)噴”的支護(hù)體系。理工大學(xué)站附屬C出口數(shù)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(shù)值模擬模型共劃分55 473個實體單元，59 636個節(jié)點(diǎn)。理工大學(xué)站附屬C出口模型如圖7所示。

圖7 理工大學(xué)站附屬C出口模型(垂直方位)(單位：m)

十里店車站擴(kuò)大段基坑開挖與理工大學(xué)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(kuò)大段基坑開挖

圖9 理工大學(xué)站附屬C出口開挖

4 結(jié)果分析

4.1 位移分析

(1)十里店車站擴(kuò)大段基坑

對十里店車站的基坑開挖施工過程進(jìn)行模擬，位于擴(kuò)大段一側(cè)燃?xì)夤芫€的位移曲線見圖10～圖11。由圖10～圖11可知，十里店車站擴(kuò)大段基坑開挖對燃?xì)夤芫€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(xiàn)了反向；從管線水平Y(jié)反方向的位移情況來看，同樣也有反向位移，這些現(xiàn)象反映了管線的受力情況；基坑開挖、卸荷導(dǎo)致周邊土體向基坑內(nèi)部位移燃?xì)夤芫€距離基坑較近，導(dǎo)致管線整體向基坑內(nèi)部位移并伴隨沉降，燃?xì)夤芫€以朝向基坑內(nèi)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?xì)夤芫€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?xì)夤芫€的豎向位移曲線(單位：m)

圖11 施工完成后燃?xì)夤芫€的水平位移(單位：m)

(2)理工大學(xué)站附屬C出口基坑

對理工大學(xué)站附屬C出口施工過程進(jìn)行模擬，獲得燃?xì)夤芫€的位移曲線，見圖12～圖13。

圖12 施工完成后燃?xì)夤芫€的豎向位移曲線(單位：m)

圖13 施工完成后燃?xì)夤芫€的水平位移曲線(單位：m)

由圖12～圖13可知，理工大學(xué)站附屬C出口施工完成后，DN325龍東燃?xì)夤芫€產(chǎn)生了位移，由于基坑開挖后管線處于懸空狀態(tài)，燃?xì)夤芫€位移主要由豎向控制，燃?xì)夤芫€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(nèi)部位移，受到土體的影響，燃?xì)夤芫€的位移趨勢與土體位移方向一致，呈現(xiàn)出兩端向基坑內(nèi)部位移的規(guī)律。燃?xì)夤芫€的豎向位移在懸空段的中部最大，并且土體內(nèi)燃?xì)夤芫€的豎向位移出現(xiàn)反向。從量值上來看，基坑施工完成后，DN325龍東燃?xì)夤芫€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(jié)向最大位移為0.089 mm。

4.2 應(yīng)力分析

燃?xì)夤芫€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(yīng)力的變化為關(guān)注重點(diǎn)。燃?xì)夤芫€的位移以Y方向上的水平位移為主，取管線8個特征點(diǎn)進(jìn)行分析，特征點(diǎn)分布見圖14，基坑施工完成后，可獲得燃?xì)夤芫€特征點(diǎn)的軸向正應(yīng)力SYY和SXX的分布曲線，圖15為十里店車站擴(kuò)大段基坑開挖特征點(diǎn)A軸向應(yīng)力分布曲線。

圖14 DN325燃?xì)夤芫€特征點(diǎn)分布情況

圖15 施工完成后燃?xì)夤芫€特征點(diǎn)A軸向應(yīng)力分布曲線

(1)十里店車站擴(kuò)大段基坑

十里店車站擴(kuò)大段基坑燃?xì)夤芫€特征點(diǎn)的軸向正應(yīng)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?xì)夤芫€軸向正應(yīng)力SXX既有壓應(yīng)力也有拉應(yīng)力，且以拉應(yīng)力為主；軸向正應(yīng)力SYY全為拉應(yīng)力；最大壓應(yīng)力為1.93 MPa，滿足容許壓應(yīng)力控制值(127.4 MPa)，燃?xì)夤芫€最大拉應(yīng)力為14.3 MPa。

(2)理工大學(xué)站附屬C出口基坑

理工大學(xué)站附屬C出口基坑燃?xì)夤芫€特征點(diǎn)的軸向正應(yīng)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?xì)夤芫€軸向正應(yīng)力既有壓應(yīng)力也有拉應(yīng)力；最大壓應(yīng)力為21.7 MPa，滿足容許壓應(yīng)力控制值(127.4 MPa)，燃?xì)夤芫€最大拉應(yīng)力為26.7 MPa，滿足容許拉應(yīng)力控制值(37.21 MPa)。

圖16 施工完成后燃?xì)夤芫€軸向SYY應(yīng)力(單位：kPa)

圖17 施工完成后燃?xì)夤芫€軸向SXX應(yīng)力(單位：kPa)

圖18 施工完成后燃?xì)夤芫€軸向正應(yīng)力SYY分布(單位：kPa)

圖19 施工完成后燃?xì)夤芫€軸向正應(yīng)力SXX分布曲線(單位：kPa)

5 控制措施

5.1 圍護(hù)樁施工保護(hù)措施

(1)施工措施

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

圖20 鋼筋網(wǎng)片示意

②在硬化路面上沿燃?xì)夤茏呦蜃鼍緲?biāo)志，在圍擋上做燃?xì)夤芫€標(biāo)識牌。

③施工前在圍護(hù)樁位置人工開挖探溝，探溝應(yīng)挖至原狀土且不小于3 m。

④旋挖鉆鉆位避開燃?xì)夤堋?/p>

⑤須硬化路面強(qiáng)度達(dá)到100%后，才能允許車輛通行。

⑥燃?xì)夤苌戏絿?yán)禁堆土，并及時清運(yùn)施工渣土。

⑦旋挖鉆、裝載機(jī)、吊車、混凝土罐車等大型機(jī)械嚴(yán)禁在燃?xì)夤? m范圍內(nèi)走行及施工。

⑧車站擴(kuò)大段圍護(hù)樁施工時，管線以上部分采用人工挖孔，以下部分采用機(jī)械成孔。

(2)設(shè)計措施

①調(diào)整盾構(gòu)擴(kuò)大段圍護(hù)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?xì)夤軅?cè)第一道支撐采用混凝土。

④管線與圍護(hù)樁之間采用袖閥管注漿，對土體進(jìn)行預(yù)加固。

5.2 冠梁施工保護(hù)措施

(1)土方開挖時，應(yīng)先用切割機(jī)切除已硬化的混凝土路面，避免破除路面對燃?xì)夤艿膿p傷。

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

(3)標(biāo)準(zhǔn)段冠梁土方開挖，放坡比率為1∶0.5，開挖完成后對邊坡進(jìn)行網(wǎng)噴混凝土，保證冠梁施工期間邊坡穩(wěn)定。

(4)冠梁施工完成后，應(yīng)及時回填。

5.3 管線遷改施工保護(hù)措施

(1)管線遷改概況

需遷改的管線有：雨水、電力、通訊、燃?xì)?、給水等。

(2)平行管線處理措施

①電力、通訊管：距離325燃?xì)夤茌^近，經(jīng)研究決定，不再進(jìn)行遷改。

②雨水管：選用頂管法施工。

③DN219燃?xì)夤芎徒o水管：開挖應(yīng)在325燃?xì)夤? m范圍外；開挖應(yīng)分段進(jìn)行，分段長度為10～15 m，完成鋪管并回填后再進(jìn)行下一段的施工；渣土嚴(yán)禁存放于325燃?xì)夤? m范圍內(nèi)。

(3)交叉管線處理措施

①電力及通訊管：不再進(jìn)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(hù)樁→冠梁→臨時蓋板(同步完成燃?xì)夤軕业醣Ｗo(hù)措施)→暗挖土方→C通道結(jié)構(gòu)施工。

(2)C通道與燃?xì)夤芪恢藐P(guān)系

設(shè)計樁位已避開325燃?xì)夤?DN325燃?xì)夤芄茼斁嚯x原地面為1.3 m，管底距離結(jié)構(gòu)頂板1.4 m)。

(3)圍護(hù)樁期間保護(hù)措施

①圍護(hù)樁施工前，先人工開挖探溝，將DN325燃?xì)夤鼙┞冻鰜聿⒆鰳?biāo)識。

②采用人工挖孔樁施工。

③禁止鏟車、吊車等機(jī)械在其5 m范圍內(nèi)作業(yè)。

(4)冠梁施工期間保護(hù)措施

①采用人工開挖溝槽，對邊坡進(jìn)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(hù)措施

①施作混凝土蓋板時，采用鋼絲繩將DN325燃?xì)夤軕业踔粱炷辽w板上，鋼絲繩間距1 000 mm，共懸吊7道。

②在鋼絲繩與燃?xì)夤芙唤缣幵黾酉鹉z材料作為保護(hù)。

③燃?xì)夤苌戏酵练介_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?xì)夤苁芰顟B(tài)轉(zhuǎn)換為懸吊受力。

⑤燃?xì)夤芊秶眉?xì)砂回填。

6 結(jié)論

地鐵基坑開挖對平行燃?xì)夤芫€存在一定影響，且影響范圍較大，基坑開挖、卸荷導(dǎo)致周邊土體向基坑內(nèi)部位移；燃?xì)夤芫€距離基坑較近，導(dǎo)致管線整體向基坑內(nèi)部位移并伴隨沉降，燃?xì)夤芫€以朝向基坑內(nèi)部(Y方向)的位移為主。

地鐵基坑開挖后，燃?xì)夤芫€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(nèi)部位移，受到土體的影響，燃?xì)夤芫€的位移趨勢與土體位移方向一致，呈現(xiàn)出兩端向基坑內(nèi)部位移的規(guī)律；燃?xì)夤芫€在豎向的位移在懸空段的中部最大。在土體內(nèi)，燃?xì)夤芫€的豎向位移出現(xiàn)反向。

十里店車站基坑開挖施工完成后，平行方位的燃?xì)夤芫€軸向正應(yīng)力SXX既有壓應(yīng)力，也有拉應(yīng)力且以拉應(yīng)力為主；燃?xì)夤芫€軸向正應(yīng)力SYY全為拉應(yīng)力；理工大學(xué)附屬C出口基坑開挖施工完成后，垂直方位的燃?xì)夤芫€軸向正應(yīng)力既有壓應(yīng)力也有拉應(yīng)力；燃?xì)夤芫€最大壓應(yīng)力為21.7 MPa。

[1] 韓先科.西部地區(qū)全面建成小康社會公路交通發(fā)展目標(biāo)研究[J].公路，2015(3):109-112

[2] 鄒淼，吳祿源，王磊.某地鐵車站深基坑開挖對鄰近管線的影響分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2016，60(3):106-111

[3] 彭志雄，周元剛.深基坑開挖對鄰近建筑物相互影響效應(yīng)分析[J]. 施工技術(shù)，2017，46(8):32-35

[4] 賀煒，潘星羽，張軍，等.河心洲地鐵車站深基坑開挖監(jiān)測及環(huán)境影響分析[J].巖土工程學(xué)報，2013，35(S1):478-483

[5] 張陳蓉，俞劍，黃茂松.基坑開挖對鄰近地下管線影響的變形控制標(biāo)準(zhǔn)[J].巖土力學(xué)，2012，33(7):2027-2034

[6] 張陳蓉，蔡建鵬，黃茂松.基坑開挖對鄰近地埋管線的影響分析[J].巖土工程學(xué)報，2010，32(S2):154-157

[7] 杜金龍，楊敏.深基坑開挖對鄰近地埋管線影響分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(S1):3015-3020

[8] 李大勇，龔曉南.軟土地基深基坑工程鄰近柔性接口地下管線的性狀分析[J].土木工程學(xué)報，2003(2):77-80

[9] 夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994

[10] 李佳川，夏明耀.地下連續(xù)墻深基坑開挖與縱向地下管線保護(hù)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1995(5):499-504

[11] Crofts J E， Menzics B K， Tarzi A I. Lateral displacement of shallow buried pipelines due to adjacent deep trench excavations[J]. Geotechnirue， 1997，27(2):161-179

[12] 李永輝，浦少云，趙衛(wèi)全，等.基于等幅周期荷載下軟巖Bingham本構(gòu)模型的研究[J].水利水電技術(shù)，2017(11):179-186