明挖地鐵車站對鄰近管線安全性分析及控制措施研究 ①

王余鵬， 韓 偉

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院,福建 南平 353000)

0 引 言

隨著都市延伸，地鐵建設成為解決道路堵塞的一劑良藥，在復雜多變的地質(zhì)狀況下，需要保證地鐵明挖施工及鄰近構(gòu)造物的穩(wěn)定。本文以目標管線沉降的實地監(jiān)測值為基礎(chǔ)，結(jié)合整體數(shù)值分析法對比評價，研究地鐵明挖施工對鄰近管線安全狀況作評價是有重要含義的。

1 工程概況

排下車站位于螺州路以北的福峽路下方，沿福峽路西北～東南向布置。主體為地下兩層島式月臺車站，長為262.608m，寬為17.8m，采用明挖順筑法施工[1]。周邊遍布居民住宅，沿線燃氣、雨水、污水、電力、軍用電纜等地下管道線路眾多，且工程地質(zhì)條件復雜，土質(zhì)軟硬不均、地下水豐富，對地鐵明挖的穩(wěn)定性控制非常重要。

2 基坑安全等級及圍護設計方案

2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，基坑底面南側(cè)為殘坡積層及風化巖層[2]，地層變化較大，個別部位存在強度較高的孤石，土層物理力學性質(zhì)指標見表1。

(1)潛水

孔隙潛水主要賦存于①填土中[3]。潛水的埋深深度為0.70～1.50m，水位標高約為3.52～4.33m。

表1 土層物理力學性質(zhì)指標

圖1 排下站地理位置

(2)承壓水

承壓水分為第Ⅰ層承壓水和第Ⅱ?qū)映袎核?。第Ⅰ層承壓水埋深為地面?.82～3.32m，標高為1.71～2.10m，第Ⅱ?qū)映袎核裆顬榈孛嫦?9.69～9.73m，標高為-4.64～-4.72m。

2.2 基坑安全等級及環(huán)境保護標準

車站周邊兩側(cè)地下管線密集，主要管線為雨水、煤氣、污水等市政管路，管底埋深約在2.8-4.3m左右。管線情況較為復雜，施工時要注意各管線的情況，避免發(fā)生管轄的破壞，采用探地雷達對車站四周及地面進行管線位置探測(圖2)。

圖2 明挖范圍內(nèi)管線探測圖

(1)污水管(砼、DN700、埋深2.45m)，位于明挖西側(cè)，距離明挖施工區(qū)域距離11.8m。

(2)煤氣管(鑄鐵、DN600、埋深1.67m)，位于基坑西側(cè)，距離基坑邊距離9.7m。

(3)雨水管(砼、DN700、埋深3.1m)，位于基坑東側(cè)，距離基坑邊距離6.7m。

綜合車站明挖施工環(huán)境，將距離明挖坑邊緣最近的雨水管道安全保護等級定為二級，即坑外地表最大沉降量≤0.2%H，H為基坑深度。

2.3 基坑圍護設計方案

本站主體圍護橫剖面圖如圖3：

圖3 標準段圍護結(jié)構(gòu)橫剖面圖

明挖施工縱深約17.3m，從圍護結(jié)構(gòu)橫剖圖可知，車站坑底基本位于⑥3層粘土層。標準段土層物理力學性質(zhì)指標見表2：

明挖基坑標準段的第一道混凝土支撐截面為800mm×800mm，水平距離為7m～9m，頂圈梁截面尺寸為900mm×800mm，系桿截面尺寸為400mm×600mm[4]，其余鋼管支撐為Φ609×16，間距3m左右。支撐下采用4L140×14型鋼格構(gòu)柱加Φ800鉆孔灌注樁作立柱樁，立柱截面尺寸為420mm×420mm。

施工順序：

(1)沿車站向下施工至第一道混凝土支撐位置[5]，進行冠梁及擋土墻施作(第一道支撐以下500mm)；

(2)架構(gòu)第一道支撐后，繼續(xù)明挖施工至鋼架構(gòu)位置(第二道支撐以下500mm)；

(3)開挖至基底，并施作墊層、防水層[6]、底板、結(jié)構(gòu)柱，拆卸降水井，設置泄水孔；

(4)將第三道支撐向下移作為換撐支在側(cè)墻上，繼續(xù)同時向上施工側(cè)墻防水層，側(cè)墻和柱，澆筑中板；

(5)需等到中板混凝土強度滿足規(guī)定值，拆卸鋼架構(gòu)支撐，同時施工側(cè)墻防水層[7]，澆筑頂板；

(6)待頂板混凝土強度滿足規(guī)定值，拆卸頂端混凝土架構(gòu)，并施工頂板防水層，及時恢復道路通車。

表2 土層物理力學性質(zhì)指標

3 分析方法

由于車站明挖施工會引起的土層運動，造成鄰近管線的附加受力和變形。如果變形過大，則會使管線破裂或損壞，引起安全事故?；娱_挖影響方法：(1)兩階段分析法；(2)整體數(shù)值分析法。整體數(shù)值方法是從整體上分析車站明挖與鄰近管道施工過程的彼此影響。它借助大型的商業(yè)有限元軟件來分析基坑開挖各個階段相鄰管道的情況，并采用整體數(shù)值方法進行分析和計算，可以合理模擬基坑明挖的復雜施工過程[8]。

3.1 兩階段分析方法

基于Winkler彈性地基梁模型的兩階段位移法，是把基坑周邊的管線模擬為彈性地基梁，將車站明挖施工的巖體位移作為邊界前提施加于地基梁上，得到管線和巖體的相互作用的位移方程，采用有限差分法對管線的附加變形和受力分析。

(1)建立彈性地基梁隔離體平衡方程

圖4 管線受力示意圖

如圖4所示，將管線視作彈性地基梁，均分為n個單元，單元長度l，管線總長L=nl。作用在單元i的均布外力Pi，地基反力合力Ri

彈性地基梁的微分方程為：

(1)

不考慮管線與土體的滑移，則彈性地基梁的位移w與土體位移s相等，即w=s，則：

(2)

圖5 管線取隔離體示意圖

如圖5，將地基梁在節(jié)點2處切開，節(jié)點2處彎矩M2

M2=R1l+M2p

(3)

I2為單元2的截面慣性矩；E2為單元2的彈性模量；M2p為節(jié)點2左側(cè)外荷載對該點的力矩，另順時針為正則M2p=-P1l。

聯(lián)立式(2)和式(3)，表示為差分形式：

(4)

依次從節(jié)點2至節(jié)點(n-1)將單元切開，求得各斷面處的彎矩，將微分方程表示為差分形式，獲得以下(n-2)個平衡方程：

(5)

其中

(6)

將上述(n-2)個方程寫成矩陣形式為：

(7)

(2)邊界條件——靜力平衡條件

因彈性地基梁縱向尺寸較大，近似認為距離基坑較遠處的管線不受約束，為自由邊界條件，端點處的彎矩與剪力均為0。對整個彈性地基梁建立靜力平衡得到：

(8)

其中

(9)

聯(lián)系式(8)、式(9)將地基反力Ri=kilDsi代入，得到n×n階矩陣方程(10)。已知管線的外力{P}，由方程(10)便可得到彈性地基梁的位移{s}。

(10)

(3)Pi的確定——巖體位移

單元i對應的自由巖體位移Ui，地基基床系數(shù)ki，該單元受土體位移作用為Pi=DlkiUi，代入上式得到：

(11)

(12)

3.2 數(shù)值分析

選取距明挖邊緣6.7m的雨水管(砼、DN700、埋深3.1m)進行模擬，管線采用殼單元模擬，管線和巖體之間設置面單元[9]，并考慮管線與巖體的共同作用。初始應力場云圖如下：

圖6 初始應力場云圖

圖7 基坑水平變形云圖

圖8 基坑水平變形矢量

圖9 基坑豎向變形云圖

圖10 基坑豎向變形矢量圖

圖11 圍護結(jié)構(gòu)水平變形圖

從圖7、圖8水平變形矢量圖可得，地鐵基坑開挖影響最大沉降變形位置處于邊緣8-10m處；其橫向變形影響范圍約35m左右，大約是地鐵施工深度的2倍。從圖10明挖圍護支撐變形結(jié)果分析，從地鐵車站明挖施工分析，中間層的圍護支撐體系的水平位移最大，其最大變形為11.01mm，管線總位移為6.34mm，最大沉降為5.25mm。

表3 有限元計算結(jié)果匯總

表4 鄰近管線地表沉降監(jiān)測結(jié)果

圖12 明挖施工對鄰近管線地表沉降監(jiān)測結(jié)果對比圖

從圖12可分析，管線的變形與其埋深、距基坑邊緣的遠近、基坑的變形模式有密切的關(guān)系；參考福州地鐵施工中規(guī)定，最大沉降控制標準是30mm，本車站主體基坑開挖引起的管線變形滿足要求。

4 保護措施

地鐵明挖施工中應加強監(jiān)測，施工中監(jiān)測數(shù)據(jù)突變時應采取加固措施，保證變形沉降、傾斜和裂縫降在可控范圍之內(nèi)。當位移值接近該管線允許值時，立即停止基坑開挖，如加大基坑支護剛度，輔以地基跟蹤注漿等措施。具體措施為：

(1)對車站周圍的地下水位加強監(jiān)測，如有較大漏水應立刻停止降水，需立即對基坑外進行注水[10]，嚴禁長時間暴露開挖面。

(2)加強監(jiān)測，并以監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)果為依據(jù)，及時調(diào)整支護參數(shù)輔助施工。如周邊鄰近的管線變形超過規(guī)定的報警值，應立即采取有效的加固措施[11]。

(3)在基坑開挖過程中，遵循“先撐后挖，對稱開挖”原則[12]，嚴禁超挖，如有超挖馬上回填。

5 結(jié) 論

本文以福州某地鐵項目明挖施工為實例，運用兩階段法及整體數(shù)值分析法分析了車站開挖過程中對鄰近管線的安全穩(wěn)定性影響，根據(jù)項目實施期間的實測數(shù)據(jù)相應分析，模型分析結(jié)果具有較高可信度，可用于類似項目基坑進行指導性施工，結(jié)論如下：

(1)根據(jù)兩階段分析法及整體數(shù)值分析法得出，隨著地鐵基坑開挖，基坑周邊地表呈現(xiàn)為“凹槽型”變形，距其周邊變形約8-10m位置出現(xiàn)較大沉降;直至明挖邊緣35m左右逐漸消失，其橫向變形影響規(guī)模約地鐵施工縱深的2倍左右。

(2)本文基于兩階段分析法把基坑周邊的管線模擬為彈性地基梁，將基坑開挖引起的土體自由場位移作為邊界條件施加于地基梁上，取得管線和巖體的彼此作用的位移控制的簡易公式，推導出地鐵基坑開挖變形和管線變形的的數(shù)學計算模型，可用于施工過程中采取兩階段分析法的數(shù)學模型對管線沉降簡單預測。

(3)本文依托福州地鐵某車站基坑施工對鄰近管線安全性影響，通過兩階段分析法、整體數(shù)值分析法結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)值對比，分析出明挖車站支撐體系結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)為中間大、兩端小的“凸起型”，且最大位移量處于第二道支撐附近，為此在開挖過程中此處需加強處理。

(4)由數(shù)據(jù)分析出地鐵基坑開挖施工引起的管線沉降規(guī)律及影響范圍，為避免因基坑施工而導致安全事故，本文提出相應的加固措施，為地鐵車站明挖施工控制提供理論支撐。