郑州某地铁站基坑开挖对临近管线的影响分析

2021-11-16王英楠王江锋

水利与建筑工程学报 2021年5期

王英楠，王江锋

(华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南郑州 450000)

随着地下空间的深入开发，城市地铁设施的建设正如火如荼，而地铁站基坑往往处于给排水管线、燃气管线、电缆及通讯管线等设施的密集区[1]。可以迁改的管线会在基坑施工之前迁移到影响较小的地方，但是一些管线无法迁改或者迁改之后仍然受到较大影响。基坑开挖对临近管线造成影响的本质原因在于基坑开挖会使土体产生位移，土体位移作用在管线上，使管线产生附加应力及不均匀沉降。过大的应力和沉降会使管线出现破裂、泄露等现象，影响其正常使用[2-3]。因此地铁站基坑开挖对临近管线的影响越来越受到关注，如何保证基坑施工能够正常进行，又不影响临近管线的正常使用，是一个十分重要的问题。

张陈蓉等[4-5]对比分析了三维的DCFEM法和位移控制两阶段简化分析方法，并提出了基坑开挖对管线保护的变形控制标准。王磊等[6]研究了相邻深基坑开挖时，相比管线侧向加固和管线底部加固的方法，基坑被动区加固能更好的保护管线。程涛等[7]基于ABAQUS软件，研究分析得出内支撑能较好地抑制管线位移，桩体刚度和表面堆载都对管线位移有一定影响。李大勇等[8]研究了内撑式基坑对临近管线的影响因素，包括开挖步、支撑刚度、管线埋深、距离基坑远近等。徐宏增等[9]利用PLAXIS建立三维模型，从时间效应和空间效应两个方面出发，分析管线的影响因素及变形规律。王立峰等[10]整理了多个临近地铁基坑管线的沉降变形数据和实测资料，分析得出刚性管线和柔性管线的沉降规律。施有志等[11-12]建立了基坑-管线-土层全三维有限元模型，研究基坑开挖过程中管线的轴力、位移的变化规律。

综上所述，已有较多学者对基坑开挖过程中临近管线的变形进行了分析研究，除了利用解析公式对管线变形进行分析外，各种有限元软件也被用来进行相关案例模拟分析，并且可以得到相对准确的结果。但是，由于地下管线和基坑工程的复杂性和多样性，不同工程基坑开挖对临近管线的影响也有所不同。本文以郑州市某地铁站基坑工程为背景，利用MIDAS/GTS NX三维有限元软件，对位于地铁站基坑长边一侧及出入口基坑下方的管线进行模拟，对其变形规律进行分析研究。

1 工程概况

1.1 工程概况

拟建地铁车站为郑州市某岛式车站，标准段为地下两层单柱双跨结构，局部为地下两层双柱三跨结构。车站底板平均埋深约17.5 m，覆土约为3.8 m。车站总长为234 m，标准段宽度为18 m。出入口位于地铁东侧，基坑平均深度为5 m，在车站主体基坑开挖完毕后进行出入口基坑开挖，车站主体基坑围护结构为φ1000@1500钻孔灌注桩+3道φ609钢管支撑，出入口基坑围护结构为φ800@1400围护桩+一道φ609钢支撑，均采用明挖法施工。一段改迁的中水管线位于地铁站基坑东侧，同时又位于出入口基坑下方，管线中心距地铁车站侧墙距离为8.9 m，距出入口底板距离为1.466 m。此管线为钢筋混凝土管线，埋深8 m，直径1.92 m。相对位置如图1所示。

1.2 工程地质及水文地质概况

根据岩土的时代成因、地层岩性及工程特性，本场地勘探范围内地层主要为人工填土及第四系上更新统(Q3)粉质黏土、黏质粉土，第四系中更新统(Q2)粉质黏土、黏质粉土等土层。土层参数见表1。根据勘察报告，钻孔深度范围未见稳定地下水。故本文研究不考虑地下水的影响。

图1 地铁车站、出入口、管线三者位置关系图

表1 土层参数

2 三维模型建立

2.1 模型建立

采用大型有限元软件MIDAS/GTS NX对基坑的开挖施工进行模拟。所取管线长度为90 m，沿x轴正向依次为0到90 m。假设围岩土体材料为均质、各向同性的连续介质，为理想弹塑性材料。土体采用摩尔-库仑弹塑性模型，用实体单元进行模拟。根据等效刚度原则将围护桩转化为地连墙进行模拟。地连墙、管线等采用板单元模拟，内支撑等采用梁单元模拟。

根据尺寸效应，模型尺寸定为127×122×35(长×宽×高)，共生成68 742个节点，120 247个单元，上表面为自由边界，下表面为固定约束，其他四个面为法向约束。路面荷载按20 kPa考虑。模型中的材料参数见表2。模型示意图见图2及图3。

表2 材料参数

图2 整体模型图

图3 模型位置关系图

2.2 开挖方案

本模型主要分析基坑开挖及支护过程对管线的影响。根据先施工地铁车站，再施工出入口的顺序，制定了表3的开挖方案。

表3 基坑工程施工步序

3 模型分析

3.1 地铁站基坑开挖对管线的影响分析

管线在地铁站基坑开挖时的竖向位移和水平位移如图4所示，从图中可以看出，管线随着施工的进行位移也逐渐增大。水平位移为朝向地铁站基坑方向为正，远离地铁站基坑方向为负。最大水平位移为7.27 mm，位于管线中间，最大竖向位移为13.32 mm，位于管线左侧位置，最大水平位移和竖向位移都出现在基坑开挖的最后一步。水平位移在基坑开挖初期变形稍不均匀，但随着施工进行，管线变形曲线比较规律，近似呈正态分布，且都为朝向基坑方向的变形。在基坑开挖至与管线埋深相近的位置之前，即开挖至地表以下8.462 m时，管线竖向位移会发生隆起，这是因为基坑开挖深度与管线埋深接近，开挖时基坑周围土体出现应力释放，土体向基坑方向移动，管线随土体挤压出现隆起现象。但随着基坑开挖深度超过管线埋深，管线会出现持续的沉降现象。管线两端由于存在约束，故位移较小。

图4 地铁站基坑施工对管线的影响

从图5和表4可知，随着开挖的进行，管线相较于上一步的变化率由小到大，水平位移的变化率依次为46.49%、97.60%、120.30%，竖向位移的变化率依次为16.30%、20.71%、50.34%。管线水平位移的变化规律可分为两个阶段，基坑开挖至与管线埋深接近的位置之前，管线变化率较小，从管线埋深接近的位置开挖至坑底的过程，管线的水平位移变化率较大。竖向位移在施做连续墙阶段以及基坑开挖的最后一步变化率较大。刘志新[13]的研究结果表明，管线的竖向位移取决于内支撑，同时要适当加强基坑初期开挖时的支护，如第一道支撑的稳定性，或者第二道支撑的强度与设撑时机，来保证基坑的稳定性，从而降低管线的受影响程度。故在施做连续墙阶段，应及时施加第一道支撑，减少对周围土体的扰动。在基坑前三步的开挖中都施做了内支撑，基坑相对稳定，最后一步开挖到坑底的过程没有内支撑对基坑进行围护，故竖向位移较大，变化率也较大，所以，在实际施工过程中，应在基坑开挖到坑底时及时施加倒撑或浇筑结构底板，从而保证基坑的稳定性。

图5 不同工况对管线的影响

表4 管线变化率

关永平等[14]的研究结果表明，基坑开挖过程中管线的竖向位移曲线近似为正态分布。但本文中的竖向位移曲线中部呈凸起现象，凸起部分的管线位于出入口下方，因为出入口基坑部分在前期进行路面围挡，故没有施加路面荷载，所以这段管线竖向变形较小。由此也从侧面反映了路面荷载对管线竖向位移有较大的影响，对水平位移影响不大。在施工时尽量减少路面堆载，可有效保护管线。

3.2 出入口基坑开挖对管线的影响分析

由图6可知，出入口基坑进行开挖时，在地铁车站施工影响的基础上，管线的水平位移和竖向位移的变化都是随着施工的进行先增大再减小。此阶段水平位移变化不大。整个工程的最大水平位移为7.37 mm,最大竖向位移为14.00 mm,均出现在出入口基坑开挖的第一步，即开挖至地下2 m时。出入口基坑开挖至坑底时，水平位移为7.19 mm，竖向位移为12.72 mm。从图6可以看出，出入口基坑开挖对管线的水平位移影响较小，水平位移曲线仍是近似为正态分布。管线的最大竖向位移位于管线左侧位置，这是因为此阶段的分析是在地铁基坑开挖的基础上进行的，变形曲线与地铁基坑开挖时的变形曲线一致，故最大竖向位移的位置与地铁基坑最大竖向位移的位置相同。

图6 出入口基坑施工对管线的影响

从图6(b)可以明显看出，在出入口基坑开挖至坑底的过程，管线的中部出现较大的隆起现象，此部分管线位于出入口正下方，由图1可知出入口基坑的中部也是管线的中间位置，越靠近中间的位置，管线的隆起量就越大，相较于上一步的最大沉降差为7.39 mm。这是因为管线距离基坑底部较近，基坑开挖导致应力卸荷，土体向上隆起，管线随之出现较大变形。但出入口基坑施工时不仅会对位于基坑正下方的管线有影响，对管线的其他部位也有影响。从图6可以看出，基坑施工对管线的竖向位移的影响半径为6.5倍的基坑深度。后期对管线进行监测时，可在影响半径范围内进行，避免监测不到位或布点过多造成浪费。在出入口基坑开挖时，管线水平位移变化较小，可重点监测竖向位移，在实际施工过程中应密切注意基坑正下方的管线变形，必要时可采取一定的保护措施。

根据《建筑基坑工程监测术规范》[15](GB 50497—2019) 8.0.5条相关规定，对基坑周边管线的累计变形要求在20 mm的范围内，本文中的案例模拟结果在安全范围内。