地铁车站基坑开挖对燃气管线影响分析及控制措施

周 剑

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

随着城市化进程不断加快和人口急剧增加，地面交通已不能满足现有城市发展节奏，城市交通向地下发展成为当今社会的必然需求[1-2]。地下建筑主要涵盖地下商场、地下车库和地下铁道等，其基坑开挖多处在人口密集区，周边不仅有办公建筑和居民小区，还涉及城市的地下燃气管道[3-8]。如何在燃气管道附近快速安全地进行基坑开挖施工显得尤为重要。国内外学者针对基坑开挖对管线的影响进行了许多研究，如夏明耀等针对基坑开挖深度对地下管线的影响进行定性分析，得出基坑开挖对管线影响范围为其开挖深度的4倍[9]。李佳川等通过有限元方法研究地下连续墙开挖过程中附近土体随开挖深度方向的变形规律[10]。Crofts等推导了地下管线水平位移的计算方法，认为管线水平位移与基坑开挖及支护有相互影响关系[11]。李大勇等采用弹性地基梁模型模拟基坑开挖对地下管线的影响，并给出了变形公式[12]。

以成都轨道交通8号线一期工程为例，采用现场调研、数值模拟和理论研究等方法对基坑与燃气管线(平行方位与交叉方位)进行深入研究，提出了围护桩、冠梁和管线迁改等保护措施，研究成果可为地铁快速施工提供指导。

1 工程概况

地铁基坑与地下燃气管线存在两种典型的关系，一种为燃气管线平行于基坑，另外一种是燃气管线与基坑交叉，如图1所示。

图1 基坑与管线典型方位关系

1.1 十里店站概况

成都地铁8号线一期工程6标十里店站坐落于成都市十里店路和东华一路交汇处，里程为CK46+292.879～CK46+898.879，车站结构顶板覆土厚2.2～3.5 m，总长606 m，标准段宽22.1 m，风亭2组，出入口3个，安全出入口1个，站台形式为“岛式”。主体结构基坑采用“φ800/φ1 200/φ1 500钻孔桩+竖向3道钢管支撑”的支护形式，钻孔桩中心间距为1.4 m、1.8 m、2 m，采用明挖顺作法施工。

车站基坑附近主要燃气管道为DN325龙东线燃气管，其材质为钢，埋深1.1～1.8 m，距离车站主体标准段约为4.5 m，距离主体扩大段约为1.6 m。燃气管走向平行于车站，位于十里店车站主体结构北侧中央绿化带下。十里店站位置与DN325龙东线燃气管关系见图2，十里店站与DN325龙东线燃气管横断面关系见图3。

图2 十里店站与DN325龙东线燃气管平面位置关系(单位：m)

图3 十里店站与DN325龙东线燃气管横断面关系(单位：mm)

1.2 理工大学站概况

理工大学站附属C通道为地下一层矩形框架结构，车站底板埋深约9 m，通道主体标准段宽6.7 m，结构高5.3 m，顶板覆土厚约3.0 m，基坑采用“围护桩+内支撑+网喷”的支护体系。

DN325龙东线燃气管材质为钢，埋深约1.3 m，垂直于C通道，位于理工大学站主体结构南侧中央绿化下。理工大学站附属C口与DN325龙东线燃气管平面和立面关系如图4、图5。

图4 理工大学站C口与DN325龙东线燃气管平面关系

图5 理工大学站C口与DN325龙东线燃气管立面关系(单位：m)

2 燃气管线控制标准确定

施工过程引起的地下管线破坏模式主要有以下几个方面。

(1)柔性管

由于屈服或挠曲作用产生过度变形而使管段发生破裂。

(2)刚性管

①由纵向弯曲引起的横断面破裂。

②由管段环向变形引起的径向开裂。

③管段接头处不能承受过大转角而发生渗漏。

一般认为，地层沉降引起的弯曲应力是长大管线破坏的主要来源；对于有接头的管线，破坏主要由管道允许张开值△和允许的纵向和横向抗弯强度决定。

本次研究对象DN325龙东燃气管线材质为D323.9无缝钢管，属于刚性管且无接头，可不考虑管段接头处的影响，故针对实际工程情况，采用位移控制标准和管线应力控制标准。

2.1 燃气管线位移控制标准

国内相关技术规范、工程标准等给出了一些地下管线沉降、差异沉降(倾斜率)和变化速率的控制值(如表1所示)，据此确定了DN325龙东燃气管线的位移控制标准(如表2所示)。

表1 地下管线位移控制值

表2 燃气管线位移控制标准 mm

在车站基坑开挖过程中，燃气管线的变形达到控制值的70%时，应进行变形预警控制；变形达到控制值的80%时，需停工并采取相应的加固措施，以确保燃气管线的安全。

2.2 燃气管线应力控制标准

通过分析可知，弯曲应力对管线的受力起控制作用，应确保管段中的弯曲应力小于容许值，且留有安全余量，此处取安全系数为5。参考相关文献及规范，其容许值见表3。

表3 燃气管线应力控制标准 MPa

3 参数选取及模型建立

3.1 计算参数

根据《成都市轨道交通8号线一期工程理工大学站详勘报告》，选取岩土体的物理力学参数，袖阀管注浆加固通过改变加固区域的围岩参数来模拟。土层及加固后土体的物理力学参数见表4。

表4 地层物理力学参数

结构材料参数见表5。

表5 材料参数

3.2 模拟方法

采用Midas GTS NX有限元软件模拟基坑开挖。土体采用三维实体单元进行模拟，围护结构采用GTS NX内部结构单元进行模拟，围护桩、冠梁、围檩采用梁单元模拟，燃气管线采用板单元进行模拟。燃气管道内的压力为0.8 MPa。

Midas GTS NX有限元软件采用钝化/激活的方法来实现土体的开挖和围护结构的施作。

3.3 模型建立

整体计算模型采用位移边界条件，底面为竖向约束，四周为法向约束。十里店车站基坑总长606 m，由于尺寸的限制，无法对整个车站基坑进行模拟，故截取部分基坑进行建模。为了消除边界影响，视标准段一定范围之外的管线不受扩大段的影响，标准段的宽度为22.1 m，模型标准段的长度取其宽度的3倍，即66.3 m。采用有限元计算软件，建立三维实体模型。本次研究中十里店车站基坑数值模型的尺寸为：长(X向)×宽(Y向)×高(Z向)=101 m×95 m×38 m。岩土体的模拟选用三维六面体实体单元，整个数值模拟模型共划分为185 401个实体单元，119 589个节点。十里店车站扩大段基坑模型如图6所示。

图6 十里店车站扩大段基坑模型(平行方位)(单位：m)

理工大学站附属C通道为地下一层矩形框架结构，车站底板埋深约9 m，通道主体标准段宽6.7 m，结构高5.3 m，顶板覆土厚约3.0 m，采用“围护桩+内支撑+网喷”的支护体系。理工大学站附属C出口数值模型的尺寸为：长(X向)×宽(Y向)×高(Z向)=40 m×20 m×30 m。整个数值模拟模型共划分55 473个实体单元，59 636个节点。理工大学站附属C出口模型如图7所示。

图7 理工大学站附属C出口模型(垂直方位)(单位：m)

十里店车站扩大段基坑开挖与理工大学站附属C出口开挖模拟如图8和图9所示。

图8 十里店车站扩大段基坑开挖

图9 理工大学站附属C出口开挖

4 结果分析

4.1 位移分析

(1)十里店车站扩大段基坑

对十里店车站的基坑开挖施工过程进行模拟，位于扩大段一侧燃气管线的位移曲线见图10～图11。由图10～图11可知，十里店车站扩大段基坑开挖对燃气管线存在一定影响，且影响范围较大。从管线的竖向位移曲线可以看出，竖向位移出现了反向；从管线水平Y反方向的位移情况来看，同样也有反向位移，这些现象反映了管线的受力情况；基坑开挖、卸荷导致周边土体向基坑内部位移燃气管线距离基坑较近，导致管线整体向基坑内部位移并伴随沉降，燃气管线以朝向基坑内部(Y方向)的位移为主；从位移的量值上来看，十里店车站基坑开挖施工完成后，DN325燃气管线的竖向最大位移为1.08 mm，X方向上最大位移为0.222 5 mm，Y方向上最大位移为1.99 mm。

图10 施工完成后燃气管线的竖向位移曲线(单位：m)

图11 施工完成后燃气管线的水平位移(单位：m)

(2)理工大学站附属C出口基坑

对理工大学站附属C出口施工过程进行模拟，获得燃气管线的位移曲线，见图12～图13。

图12 施工完成后燃气管线的竖向位移曲线(单位：m)

图13 施工完成后燃气管线的水平位移曲线(单位：m)

由图12～图13可知，理工大学站附属C出口施工完成后，DN325龙东燃气管线产生了位移，由于基坑开挖后管线处于悬空状态，燃气管线位移主要由竖向控制，燃气管线在水平方向上位移较小。从X方向上看，由于基坑开挖后土体向基坑内部位移，受到土体的影响，燃气管线的位移趋势与土体位移方向一致，呈现出两端向基坑内部位移的规律。燃气管线的竖向位移在悬空段的中部最大，并且土体内燃气管线的竖向位移出现反向。从量值上来看，基坑施工完成后，DN325龙东燃气管线竖向最大位移为5.21 mm，水平X向上最大位移为0.44 mm，水平Y向最大位移为0.089 mm。

4.2 应力分析

燃气管线的破坏模式主要为纵向弯曲引起的横断面破裂，故管线轴向应力的变化为关注重点。燃气管线的位移以Y方向上的水平位移为主，取管线8个特征点进行分析，特征点分布见图14，基坑施工完成后，可获得燃气管线特征点的轴向正应力SYY和SXX的分布曲线，图15为十里店车站扩大段基坑开挖特征点A轴向应力分布曲线。

图14 DN325燃气管线特征点分布情况

图15 施工完成后燃气管线特征点A轴向应力分布曲线

(1)十里店车站扩大段基坑

十里店车站扩大段基坑燃气管线特征点的轴向正应力SYY和SXX的分布如图16和图17所示。由图16和图17可知，基坑开挖施工完成后，燃气管线轴向正应力SXX既有压应力也有拉应力，且以拉应力为主；轴向正应力SYY全为拉应力；最大压应力为1.93 MPa，满足容许压应力控制值(127.4 MPa)，燃气管线最大拉应力为14.3 MPa。

(2)理工大学站附属C出口基坑

理工大学站附属C出口基坑燃气管线特征点的轴向正应力SYY和SXX的分布如图18和图19所示。由图18和图19可知，基坑开挖施工完成后，燃气管线轴向正应力既有压应力也有拉应力；最大压应力为21.7 MPa，满足容许压应力控制值(127.4 MPa)，燃气管线最大拉应力为26.7 MPa，满足容许拉应力控制值(37.21 MPa)。

图16 施工完成后燃气管线轴向SYY应力(单位：kPa)

图17 施工完成后燃气管线轴向SXX应力(单位：kPa)

图18 施工完成后燃气管线轴向正应力SYY分布(单位：kPa)

图19 施工完成后燃气管线轴向正应力SXX分布曲线(单位：kPa)

5 控制措施

5.1 围护桩施工保护措施

(1)施工措施

①采用C30混凝土进行硬化(混凝土厚30 cm)，并加铺钢筋网片(HRB40020钢筋，纵、横向间距均为20 cm)，见图20。

图20 钢筋网片示意

②在硬化路面上沿燃气管走向做警示标志，在围挡上做燃气管线标识牌。

③施工前在围护桩位置人工开挖探沟，探沟应挖至原状土且不小于3 m。

④旋挖钻钻位避开燃气管。

⑤须硬化路面强度达到100%后，才能允许车辆通行。

⑥燃气管上方严禁堆土，并及时清运施工渣土。

⑦旋挖钻、装载机、吊车、混凝土罐车等大型机械严禁在燃气管5 m范围内走行及施工。

⑧车站扩大段围护桩施工时，管线以上部分采用人工挖孔，以下部分采用机械成孔。

(2)设计措施

①调整盾构扩大段围护桩直径为800 mm。

②采用“半边桩”方法，桩先灌注至地面，再破除半边桩施作冠梁。

③邻近燃气管侧第一道支撑采用混凝土。

④管线与围护桩之间采用袖阀管注浆，对土体进行预加固。

5.2 冠梁施工保护措施

(1)土方开挖时，应先用切割机切除已硬化的混凝土路面，避免破除路面对燃气管的损伤。

(2)为避免冠梁土方开挖伤及燃气管，应采用半边桩兼做挡土墙，冠梁土方开挖时不再放坡。

(3)标准段冠梁土方开挖，放坡比率为1∶0.5，开挖完成后对边坡进行网喷混凝土，保证冠梁施工期间边坡稳定。

(4)冠梁施工完成后，应及时回填。

5.3 管线迁改施工保护措施

(1)管线迁改概况

需迁改的管线有：雨水、电力、通讯、燃气、给水等。

(2)平行管线处理措施

①电力、通讯管：距离325燃气管较近，经研究决定，不再进行迁改。

②雨水管：选用顶管法施工。

③DN219燃气管和给水管：开挖应在325燃气管5 m范围外；开挖应分段进行，分段长度为10～15 m，完成铺管并回填后再进行下一段的施工；渣土严禁存放于325燃气管5 m范围内。

(3)交叉管线处理措施

①电力及通讯管：不再进行迁改。

②雨水管：选用顶管法施工。

5.4 附属C口保证措施

(1)施工顺序

围护桩→冠梁→临时盖板(同步完成燃气管悬吊保护措施)→暗挖土方→C通道结构施工。

(2)C通道与燃气管位置关系

设计桩位已避开325燃气管(DN325燃气管管顶距离原地面为1.3 m，管底距离结构顶板1.4 m)。

(3)围护桩期间保护措施

①围护桩施工前，先人工开挖探沟，将DN325燃气管暴露出来并做标识。

②采用人工挖孔桩施工。

③禁止铲车、吊车等机械在其5 m范围内作业。

(4)冠梁施工期间保护措施

①采用人工开挖沟槽，对边坡进行喷射混凝土加固。

②冠梁施工时，在与DN325管道交叉处安放泡沫板，使冠梁混凝土与管道隔离，保证管道安全。

(5)盖板施工期间保护措施

①施作混凝土盖板时，采用钢丝绳将DN325燃气管悬吊至混凝土盖板上，钢丝绳间距1 000 mm，共悬吊7道。

②在钢丝绳与燃气管交界处增加橡胶材料作为保护。

③燃气管上方土方开挖均采用人工方式，以确保安全。

④混凝土盖板底部范围采用暗挖掏土，掏土完成后，燃气管受力状态转换为悬吊受力。

⑤燃气管范围用细砂回填。

6 结论

地铁基坑开挖对平行燃气管线存在一定影响，且影响范围较大，基坑开挖、卸荷导致周边土体向基坑内部位移；燃气管线距离基坑较近，导致管线整体向基坑内部位移并伴随沉降，燃气管线以朝向基坑内部(Y方向)的位移为主。

地铁基坑开挖后，燃气管线位移主要由竖向控制，在水平方向上位移较小。从X方向上来看，基坑开挖后土体向基坑内部位移，受到土体的影响，燃气管线的位移趋势与土体位移方向一致，呈现出两端向基坑内部位移的规律；燃气管线在竖向的位移在悬空段的中部最大。在土体内，燃气管线的竖向位移出现反向。

十里店车站基坑开挖施工完成后，平行方位的燃气管线轴向正应力SXX既有压应力，也有拉应力且以拉应力为主；燃气管线轴向正应力SYY全为拉应力；理工大学附属C出口基坑开挖施工完成后，垂直方位的燃气管线轴向正应力既有压应力也有拉应力；燃气管线最大压应力为21.7 MPa。

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