鄭州某地鐵站基坑開挖對臨近管線的影響分析

王英楠，王江鋒

(華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 鄭州 450000)

隨著地下空間的深入開發(fā)，城市地鐵設(shè)施的建設(shè)正如火如荼，而地鐵站基坑往往處于給排水管線、燃?xì)夤芫€、電纜及通訊管線等設(shè)施的密集區(qū)[1]?？梢赃w改的管線會(huì)在基坑施工之前遷移到影響較小的地方，但是一些管線無法遷改或者遷改之后仍然受到較大影響?；娱_挖對臨近管線造成影響的本質(zhì)原因在于基坑開挖會(huì)使土體產(chǎn)生位移，土體位移作用在管線上，使管線產(chǎn)生附加應(yīng)力及不均勻沉降。過大的應(yīng)力和沉降會(huì)使管線出現(xiàn)破裂、泄露等現(xiàn)象，影響其正常使用[2-3]。因此地鐵站基坑開挖對臨近管線的影響越來越受到關(guān)注，如何保證基坑施工能夠正常進(jìn)行，又不影響臨近管線的正常使用，是一個(gè)十分重要的問題。

張陳蓉等[4-5]對比分析了三維的DCFEM法和位移控制兩階段簡化分析方法，并提出了基坑開挖對管線保護(hù)的變形控制標(biāo)準(zhǔn)。王磊等[6]研究了相鄰深基坑開挖時(shí)，相比管線側(cè)向加固和管線底部加固的方法，基坑被動(dòng)區(qū)加固能更好的保護(hù)管線。程濤等[7]基于ABAQUS軟件，研究分析得出內(nèi)支撐能較好地抑制管線位移，樁體剛度和表面堆載都對管線位移有一定影響。李大勇等[8]研究了內(nèi)撐式基坑對臨近管線的影響因素，包括開挖步、支撐剛度、管線埋深、距離基坑遠(yuǎn)近等。徐宏增等[9]利用PLAXIS建立三維模型，從時(shí)間效應(yīng)和空間效應(yīng)兩個(gè)方面出發(fā)，分析管線的影響因素及變形規(guī)律。王立峰等[10]整理了多個(gè)臨近地鐵基坑管線的沉降變形數(shù)據(jù)和實(shí)測資料，分析得出剛性管線和柔性管線的沉降規(guī)律。施有志等[11-12]建立了基坑-管線-土層全三維有限元模型，研究基坑開挖過程中管線的軸力、位移的變化規(guī)律。

綜上所述，已有較多學(xué)者對基坑開挖過程中臨近管線的變形進(jìn)行了分析研究，除了利用解析公式對管線變形進(jìn)行分析外，各種有限元軟件也被用來進(jìn)行相關(guān)案例模擬分析，并且可以得到相對準(zhǔn)確的結(jié)果。但是，由于地下管線和基坑工程的復(fù)雜性和多樣性，不同工程基坑開挖對臨近管線的影響也有所不同。本文以鄭州市某地鐵站基坑工程為背景，利用MIDAS/GTS NX三維有限元軟件，對位于地鐵站基坑長邊一側(cè)及出入口基坑下方的管線進(jìn)行模擬，對其變形規(guī)律進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

1.1 工程概況

擬建地鐵車站為鄭州市某島式車站，標(biāo)準(zhǔn)段為地下兩層單柱雙跨結(jié)構(gòu)，局部為地下兩層雙柱三跨結(jié)構(gòu)。車站底板平均埋深約17.5 m，覆土約為3.8 m。車站總長為234 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18 m。出入口位于地鐵東側(cè)，基坑平均深度為5 m，在車站主體基坑開挖完畢后進(jìn)行出入口基坑開挖，車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為φ1000@1500鉆孔灌注樁+3道φ609鋼管支撐，出入口基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為φ800@1400圍護(hù)樁+一道φ609鋼支撐，均采用明挖法施工。一段改遷的中水管線位于地鐵站基坑?xùn)|側(cè)，同時(shí)又位于出入口基坑下方，管線中心距地鐵車站側(cè)墻距離為8.9 m，距出入口底板距離為1.466 m。此管線為鋼筋混凝土管線，埋深8 m，直徑1.92 m。相對位置如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

根據(jù)巖土的時(shí)代成因、地層巖性及工程特性，本場地勘探范圍內(nèi)地層主要為人工填土及第四系上更新統(tǒng)(Q3)粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土，第四系中更新統(tǒng)(Q2)粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土等土層。土層參數(shù)見表1。根據(jù)勘察報(bào)告，鉆孔深度范圍未見穩(wěn)定地下水。故本文研究不考慮地下水的影響。

圖1 地鐵車站、出入口、管線三者位置關(guān)系圖

表1 土層參數(shù)

2 三維模型建立

2.1 模型建立

采用大型有限元軟件MIDAS/GTS NX對基坑的開挖施工進(jìn)行模擬。所取管線長度為90 m，沿x軸正向依次為0到90 m。假設(shè)圍巖土體材料為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)，為理想彈塑性材料。土體采用摩爾-庫侖彈塑性模型，用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。根據(jù)等效剛度原則將圍護(hù)樁轉(zhuǎn)化為地連墻進(jìn)行模擬。地連墻、管線等采用板單元模擬，內(nèi)支撐等采用梁單元模擬。

根據(jù)尺寸效應(yīng)，模型尺寸定為127×122×35(長×寬×高)，共生成68 742個(gè)節(jié)點(diǎn)，120 247個(gè)單元，上表面為自由邊界，下表面為固定約束，其他四個(gè)面為法向約束。路面荷載按20 kPa考慮。模型中的材料參數(shù)見表2。模型示意圖見圖2及圖3。

表2 材料參數(shù)

圖2 整體模型圖

圖3 模型位置關(guān)系圖

2.2 開挖方案

本模型主要分析基坑開挖及支護(hù)過程對管線的影響。根據(jù)先施工地鐵車站，再施工出入口的順序，制定了表3的開挖方案。

表3 基坑工程施工步序

3 模型分析

3.1 地鐵站基坑開挖對管線的影響分析

管線在地鐵站基坑開挖時(shí)的豎向位移和水平位移如圖4所示，從圖中可以看出，管線隨著施工的進(jìn)行位移也逐漸增大。水平位移為朝向地鐵站基坑方向?yàn)檎?，遠(yuǎn)離地鐵站基坑方向?yàn)樨?fù)。最大水平位移為7.27 mm，位于管線中間，最大豎向位移為13.32 mm，位于管線左側(cè)位置，最大水平位移和豎向位移都出現(xiàn)在基坑開挖的最后一步。水平位移在基坑開挖初期變形稍不均勻，但隨著施工進(jìn)行，管線變形曲線比較規(guī)律，近似呈正態(tài)分布，且都為朝向基坑方向的變形。在基坑開挖至與管線埋深相近的位置之前，即開挖至地表以下8.462 m時(shí)，管線豎向位移會(huì)發(fā)生隆起，這是因?yàn)榛娱_挖深度與管線埋深接近，開挖時(shí)基坑周圍土體出現(xiàn)應(yīng)力釋放，土體向基坑方向移動(dòng)，管線隨土體擠壓出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。但隨著基坑開挖深度超過管線埋深，管線會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的沉降現(xiàn)象。管線兩端由于存在約束，故位移較小。

圖4 地鐵站基坑施工對管線的影響

從圖5和表4可知，隨著開挖的進(jìn)行，管線相較于上一步的變化率由小到大，水平位移的變化率依次為46.49%、97.60%、120.30%，豎向位移的變化率依次為16.30%、20.71%、50.34%。管線水平位移的變化規(guī)律可分為兩個(gè)階段，基坑開挖至與管線埋深接近的位置之前，管線變化率較小，從管線埋深接近的位置開挖至坑底的過程，管線的水平位移變化率較大。豎向位移在施做連續(xù)墻階段以及基坑開挖的最后一步變化率較大。劉志新[13]的研究結(jié)果表明，管線的豎向位移取決于內(nèi)支撐，同時(shí)要適當(dāng)加強(qiáng)基坑初期開挖時(shí)的支護(hù)，如第一道支撐的穩(wěn)定性，或者第二道支撐的強(qiáng)度與設(shè)撐時(shí)機(jī)，來保證基坑的穩(wěn)定性，從而降低管線的受影響程度。故在施做連續(xù)墻階段，應(yīng)及時(shí)施加第一道支撐，減少對周圍土體的擾動(dòng)。在基坑前三步的開挖中都施做了內(nèi)支撐，基坑相對穩(wěn)定，最后一步開挖到坑底的過程沒有內(nèi)支撐對基坑進(jìn)行圍護(hù)，故豎向位移較大，變化率也較大，所以，在實(shí)際施工過程中，應(yīng)在基坑開挖到坑底時(shí)及時(shí)施加倒撐或澆筑結(jié)構(gòu)底板，從而保證基坑的穩(wěn)定性。

圖5 不同工況對管線的影響

表4 管線變化率

關(guān)永平等[14]的研究結(jié)果表明，基坑開挖過程中管線的豎向位移曲線近似為正態(tài)分布。但本文中的豎向位移曲線中部呈凸起現(xiàn)象，凸起部分的管線位于出入口下方，因?yàn)槌鋈肟诨硬糠衷谇捌谶M(jìn)行路面圍擋，故沒有施加路面荷載，所以這段管線豎向變形較小。由此也從側(cè)面反映了路面荷載對管線豎向位移有較大的影響，對水平位移影響不大。在施工時(shí)盡量減少路面堆載，可有效保護(hù)管線。

3.2 出入口基坑開挖對管線的影響分析

由圖6可知，出入口基坑進(jìn)行開挖時(shí)，在地鐵車站施工影響的基礎(chǔ)上，管線的水平位移和豎向位移的變化都是隨著施工的進(jìn)行先增大再減小。此階段水平位移變化不大。整個(gè)工程的最大水平位移為7.37 mm,最大豎向位移為14.00 mm,均出現(xiàn)在出入口基坑開挖的第一步，即開挖至地下2 m時(shí)。出入口基坑開挖至坑底時(shí)，水平位移為7.19 mm，豎向位移為12.72 mm。從圖6可以看出，出入口基坑開挖對管線的水平位移影響較小，水平位移曲線仍是近似為正態(tài)分布。管線的最大豎向位移位于管線左側(cè)位置，這是因?yàn)榇穗A段的分析是在地鐵基坑開挖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，變形曲線與地鐵基坑開挖時(shí)的變形曲線一致，故最大豎向位移的位置與地鐵基坑最大豎向位移的位置相同。

圖6 出入口基坑施工對管線的影響

從圖6(b)可以明顯看出，在出入口基坑開挖至坑底的過程，管線的中部出現(xiàn)較大的隆起現(xiàn)象，此部分管線位于出入口正下方，由圖1可知出入口基坑的中部也是管線的中間位置，越靠近中間的位置，管線的隆起量就越大，相較于上一步的最大沉降差為7.39 mm。這是因?yàn)楣芫€距離基坑底部較近，基坑開挖導(dǎo)致應(yīng)力卸荷，土體向上隆起，管線隨之出現(xiàn)較大變形。但出入口基坑施工時(shí)不僅會(huì)對位于基坑正下方的管線有影響，對管線的其他部位也有影響。從圖6可以看出，基坑施工對管線的豎向位移的影響半徑為6.5倍的基坑深度。后期對管線進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，可在影響半徑范圍內(nèi)進(jìn)行，避免監(jiān)測不到位或布點(diǎn)過多造成浪費(fèi)。在出入口基坑開挖時(shí)，管線水平位移變化較小，可重點(diǎn)監(jiān)測豎向位移，在實(shí)際施工過程中應(yīng)密切注意基坑正下方的管線變形，必要時(shí)可采取一定的保護(hù)措施。

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測術(shù)規(guī)范》[15](GB 50497—2019) 8.0.5條相關(guān)規(guī)定，對基坑周邊管線的累計(jì)變形要求在20 mm的范圍內(nèi)，本文中的案例模擬結(jié)果在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

通過三維模型的建立，對施工過程進(jìn)行模擬，分析結(jié)果如下：

(1) 地鐵車站基坑施工時(shí)，基坑開挖深度在管線埋深附近，管線會(huì)先產(chǎn)生較小的隆起，但隨著開挖深度的增加，管線出現(xiàn)持續(xù)的沉降。位于出入口正下方的管線，由于距離管線較近，所以在出入口基坑開挖到坑底時(shí)會(huì)在既有沉降的基礎(chǔ)上產(chǎn)生較大隆起。減小路面荷載可有效保護(hù)管線。

(2) 位于基坑側(cè)方且平行于基坑的管線，水平位移的變化規(guī)律可分為兩個(gè)階段，在基坑開挖至與管線埋深接近的位置之前，變化率較小，從管線埋深接近的位置開挖至坑底的過程，變化率較大。管線無論是與基坑平行或垂直，水平位移曲線大致都呈正態(tài)分布。豎向位移在施做地下連續(xù)墻階段及開挖的最后階段變化率較大。

(3) 位于基坑下方且垂直于基坑的管線，水平位移變化較小，豎向位移會(huì)出現(xiàn)較大的隆起現(xiàn)象，越靠近基坑中部管線隆起量越大?；邮┕ξ挥谄湎路降墓芫€，豎向位移的影響半徑為6.5倍的基坑深度。

(4) 本文主要基于均質(zhì)、各向同性的土體以及均質(zhì)的管材進(jìn)行模擬，對局部土層的性質(zhì)未進(jìn)一步分析，研究結(jié)果對基坑開挖過程中臨近管線的保護(hù)提供一定的參考，但在實(shí)際工程中，仍需考慮各項(xiàng)客觀因素進(jìn)行綜合分析并深入研究。