基于CAESARⅡ的地鐵車站明挖法施工對鄰近架空蒸汽管道的影響分析

黃星智，傅青鋒，佟 楊，肖煒剛

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310051）

近年來，為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的市內(nèi)交通出行需求，加快建成城市1 h生活圈，中國正在蓬勃推進城市軌道交通的建設(shè)［1-2］。在地鐵軌道交通施工階段，不可避免會對周圍土體產(chǎn)生擾動，進而對鄰近已有環(huán)境（管線、建（構(gòu)）筑物等）產(chǎn)生不同程度的影響［3-8］，其中對鄰近重大管線的影響成為各方關(guān)注的一個重點。

國內(nèi)外專家學者針對地鐵施工對鄰近管線的影響開展了許多研究，研究方法以試驗監(jiān)測、數(shù)值模擬以及兩者相結(jié)合為主，發(fā)現(xiàn)基坑施工時周邊地表的變化以沉降為主，進而影響地表下或上的管線和構(gòu)筑物。王霆等［5］綜述了國內(nèi)外地鐵隧道施工對地下管線影響的已有研究成果，指出開挖引起的周圍地層差異沉降是導致管線功能喪失的主要原因。鄒淼等［8］通過監(jiān)測地鐵車站深基坑開挖時鄰近地下管線的沉降，得出管線沉降隨時間的變化規(guī)律，在基坑開挖及底板施工階段，管線沉降速率較大，需引起重視。劉軍等［9］研究了在補救措施控制下地鐵下穿熱力管網(wǎng)時的沉降，并模擬主動控制后熱力管網(wǎng)的變形和受力，提出將實際監(jiān)測值與評估數(shù)據(jù)對比，采用細化風險控制，能夠有效控制施工風險。曹伍富等［10］系統(tǒng)分析了軌道交通工程鄰近地表位移、管線自身位移等地下管線控制指標的相關(guān)研究成果，總結(jié)出了地下管線位移控制指標，據(jù)其統(tǒng)計，北京地區(qū)管線平均沉降在-15 mm左右，最大沉降可達到-60 mm左右，建議沉降控制值為-25 mm。

通常，管線按敷設(shè)方式分為地下直埋管線和地上架空管線兩類。目前多數(shù)學者研究了地鐵施工對地下管線的影響，部分學者研究了施工對高溫高壓埋地熱力管線的影響，然而關(guān)于施工對地上管線的影響，特別是對地上架空高溫高壓蒸汽管道的影響的研究，鮮有報道。本文以杭州地鐵三號線某站深基坑施工為背景，考慮地層不均勻分布等特性，考慮管線支墩與土體的相互作用，采用CAESARⅡ壓力管道分析程序，計算分析在基坑施工引起的周邊地表沉降影響下，鄰近架空蒸汽管道的受力和變形，對計算結(jié)果進行安全性評估，并針對施工條件提出保障性建議措施。

1 工程概況

杭州地鐵三號線某站為地下三層島式，車站主體基坑凈長157 m，標準段凈寬22.5 m。該站覆土厚度3 m，主體結(jié)構(gòu)為兩柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu)。底板埋深約24.7 m，基底位于（22）a2強風化凝灰?guī)r、（22）a3中風化凝灰?guī)r層中，潛水水位在地面以下0.5 m左右。主體圍護采用地下連續(xù)墻，結(jié)構(gòu)采用外包防水，車站側(cè)墻采用復合墻形式，均采用明挖順作法施工。

距離基坑標準段外圍西側(cè)5.7 m處平行布置有兩根DN150長90 m和DN250長105 m的室外架空蒸汽管道，管道設(shè)計壓力2.5 MPa，設(shè)計溫度350℃，保溫層厚90 mm左右，為通往汽輪機試車間的主干管，必須確保安全穩(wěn)定運行，需高度重視地鐵施工對其影響。車站基坑施工組織見圖1，基坑與蒸汽管道空間相對位置見圖1、圖2。

圖1 車站基坑施工組織剖面（單位：mm）

圖2 車站基坑和蒸汽管道平面布置

根據(jù)《城市軌道交通設(shè)計規(guī)范（DG／TJ 08—109—2017）》［11］相關(guān)條文規(guī)定，本工程基坑變形控制保護等級為一級，即最大沉降量應小于等于0.1%H（H為基坑開挖深度，單位：m）。工程設(shè)計時，針對施工步驟，已進行過施工模擬計算，假設(shè)土質(zhì)均勻無滲漏，得出基坑外圍20 m內(nèi)的地表沉降深度與施工進度的關(guān)系，見圖3。由圖3可知，基坑外圍地表沉降呈拋物線形，隨著施工進度的基坑加深，地表固定點處沉降深度線性增大，同時距離基坑外圍10 m處的地表沉降深度最大。

圖3 基坑外圍地表沉降與施工進度的關(guān)系

2 管道系統(tǒng)應力分析

對于蒸汽管道系統(tǒng)，地表沉降伴隨的支墩沉降會造成牽一發(fā)而動全身的影響，從而打破管道支撐的平衡性，并且在受影響區(qū)域的邊界處很可能發(fā)生最大差異沉降，嚴重情況下可能造成管道撕裂破損和高溫高壓蒸汽噴射泄漏［12］，極易引發(fā)安全隱患。根據(jù)《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范（GB 50316—2000）》［13］規(guī)定，管道受地表沉降影響時各點應力應小于或等于其基本許用應力。

2.1 模型建立

采用CAESARⅡ壓力管道分析程序進行管道系統(tǒng)應力分析，把受沉降影響的DN150和DN250蒸汽管道作為一個整體建立三維模型，將管道簡化為彈性空殼梁單元，服從胡克定律，閥門等設(shè)備假設(shè)為單獨的剛性元件，每個單元由“來節(jié)點”和“去節(jié)點”組成，并且有DX、DY、DZ三個位移自由度和RX、RY、RZ三個轉(zhuǎn)角自由度，管內(nèi)被連續(xù)介質(zhì)充滿。

根據(jù)蒸汽管道設(shè)計圖紙，基于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（管徑和壁厚：φ159 mm×4.5 mm和φ273 mm×8 mm，走向）；管道材料：20G；保溫層材料：巖棉，厚度90 mm；管道附件；管內(nèi)介質(zhì)、操作條件：過熱蒸汽，設(shè)計壓力2.5 MPa，設(shè)計溫度350℃等，通過合理分配和設(shè)置節(jié)點，按實際尺寸將圖紙轉(zhuǎn)化為C2模型。

2.2 應力計算

根據(jù)現(xiàn)場安裝情況，對管道設(shè)置附加滑動、導向、固定支架、彈簧吊架等約束條件，選擇地鐵施工控制范圍內(nèi)引起地表沉降對應的最不利工況進行計算，考慮地層不均勻分布特性，即管道所在地表發(fā)生不均勻沉降，附加好約束條件的基坑施工與蒸汽管道系統(tǒng)干涉段模型見圖4。具體工況組合為：安裝工況（SUS）L2＝W+P+FOR，操作工況（OPE）L1＝W+T+F，膨脹工況（EXP）L3＝L1-L2。

圖4 基坑施工與蒸汽管道系統(tǒng)干涉段模型

由圖3可知，基坑外地面5.7 m處最大模擬沉降為-27 mm，6.7 m處最大模擬沉降為-28 mm，考慮管道支墩與土體的相互作用，假設(shè)所有固定支墩沉降至既定深度，非固定支墩沉降在0～-28 mm區(qū)間。計算管道在重力等持續(xù)載荷與介質(zhì)壓力作用下的一次應力SUS，計算管道在環(huán)境溫度與操作溫度工況下的二次應力EXP，以ASME B31.3為校核規(guī)范。主要關(guān)注沉降引起的外部約束條件的變化對管道系統(tǒng)各點一、二次應力的影響。首先計算了地表未沉降時，即地鐵基坑施工前管道的一、二次應力，然后計算了基坑開挖后，外圍地表沉降深度逐漸增大過程中管道的一、二次應力變化。

2.3 結(jié)果分析

圖5為地表發(fā)生不均勻沉降時沉降深度增大過程中的管道的計算一、二次應力與其許用應力之比關(guān)系圖，從圖5的計算結(jié)果可以看出，地鐵基坑施工前，即管道所在地表未沉降時，管道的一、二次應力與其許用應力的百分比值分別為45%和92%，均小于100%，符合要求。當?shù)乇戆l(fā)生不均勻沉降，隨著沉降深度的增加，管道的一次應力與其許用應力的百分比值基本呈線性增大，并且當沉降深度超過35 mm后，管道的一次應力與其最大許用應力百分比值大于100%，此時一次應力超標，附加外載荷過大，超過20G無縫鋼管（GB5310）對應的最大許用應力，管道損壞的可能性加大，不符合要求；與此同時，管道的二次應力與其許用應力百分比值一直維持在92%左右，均小于100%，說明在本文研究的沉降深度范圍內(nèi)，溫度這個因素基本不受沉降影響。

圖5 地表沉降與管道一、二次應力關(guān)系圖

3 結(jié)語

本文以杭州地鐵三號線某站深基坑施工為背景，考慮地層不均勻分布特性，考慮管道支墩與土體的相互作用，采用CAESARⅡ壓力管道分析程序，建立架空蒸汽管道系統(tǒng)三維模型，計算分析在基坑施工控制范圍內(nèi)引起的地表不均勻沉降影響下鄰近架空蒸汽管道的受力和變形。主要得出以下結(jié)論和建議措施：

1）在本工程中，基坑外圍地表沉降深度在0～35 mm范圍內(nèi)時，鄰近架空蒸汽管道的一、二次應力小于其許用應力，并且一次應力隨沉降加劇而線性增大，但仍處于安全范圍，管道可正常運行。

2）地鐵施工過程中需加強對鄰近架空蒸汽管道的狀態(tài)監(jiān)測，在管道支墩、山墻等敏感部位布置監(jiān)測點，按時采集監(jiān)測點的豎直、水平、傾斜數(shù)據(jù)，支墩累計沉降值應小于35 mm，沉降速率應小于2 mm／d。

3）在基坑外圍鄰近蒸汽管道一側(cè)，圍護鋼支撐應結(jié)合開挖施工機械局部進行調(diào)整，禁止重型車輛通過，禁止堆放物料，防止地表載荷過大。

4）建設(shè)、施工、監(jiān)理、設(shè)計單位等各方應建立快速聯(lián)絡(luò)機制，設(shè)置應急預案，做到施工過程中信息及時共享。