地铁深基坑下穿既有管线施工监测及沉降分析

何进江

（中铁隧道集团二处有限公司，江苏 南京 210017）

近年来大量的目光集中在对地下空间的开发与利用上，通道下穿既有管线也大量涌现。由于通道下穿既有管线开挖会扰动周围土体，影响既有结构、邻近建筑物的稳定性，基于现代理论力学，可对现场监测和数值模拟2 种方法做数据结合分析，研究通道下穿管线开挖时的位移规律，以达到准确预测开挖过程中产生的变形，从而提高通道开挖过程中的安全性。

ⅤERRUIJT 等[1]通过镜像法得到了不排水条件下的地表变形三维计算公式。魏纲等[2]、齐静静等[3]、王涛等[4]基于镜像法对土体损失造引起的沉降进行了计算。李倩倩等[5]通过监测北京下穿既有地铁4 号线盾构通道工程的施工现场，得出既有盾构通道结构的变形表现为柔性，既有通道结构及地层注浆加固使地表沉降显著减小的同时沉降槽宽度也随之增大。

本文以商都路站通道下穿既有Φ2 600 mm 污水管线施工为工程背景，利用ABAQUS 软件模拟整个通道开挖施工过程，分析通道开挖对地下管线顶部的竖向位移规律，并对开挖施工全过程进行现场监测，就实际监测结果和模拟结果对比分析，提出部分优化建议。

1 工程概况及工程特点

1.1 工程位置及平面布置

4 号线商都路站位于中州大道与商都路交叉口，沿中州大道西侧布设。站台层下穿2.6 m 污水管段为暗挖矩形结构，暗挖通道断面形状为矩形断面，暗挖通道宽6.3 m、高7.15 m，双线净间距为11.3 m。商都路站暗挖平面位置示意图如图1 所示。

图1 商都路站暗挖平面位置示意图

1.2 工程特点

商都路站站台层暗挖下穿既Φ2 600 mm 污水主干管线，该污水管修建年代久远，目前已存在管线渗漏水的可能，为I 级风险源。在暗挖通道下穿施工过程中，对通道开挖引起的管线地基沉降和管线自身的沉降是引起既有管线沉降的主要原因。其中通道开挖导致的管线沉降远大于管线自身的沉降，因此减小暗挖通道开挖导致的管线沉降迫在眉睫。

2 下穿既有污水管线施工过程数值分析

2.1 计算模型与边界条件

本文采用ABAQUS 软件进行计算和模拟。模拟长度取10 m。模型的X、Y、Z方向分别为通道开挖面水平方向、开挖方向、开挖面竖向方向。模型整体尺寸为80 m×10 m×33.5 m。模型中单元数量为30 002 个，单元节点为1 225 个。三维数值计算模型正视图如图2所示。

图2 三维数值计算模型正视图

2.2 数值计算结果分析

通道开挖下穿既有管线的位移趋势是主要监测内容之一，管线顶部轴向测线图如图3 所示。

图3 管线顶部轴向测线示意图

管线顶部轴向测线竖向位移模拟结果如图4所示，管线顶部轴向测线竖向沉降曲线如图5 所示。

图4 两条通道挖完管线顶部竖向位移云图

图5 管线顶部轴向测线竖向沉降曲线

根据图4 和图5 分析可知，暗挖通道按1#→2#的开挖顺序施工，由于1#通道开挖后原有的平衡状态被打破，致使地层应力重新分布，越靠近通道中轴线处管线沉降速率越快，较远处的管线则因距开挖土体远，受波动影响小，无小幅度隆起，2#通道区域已做好超前加固且后续未开挖，致使沉降曲线的右侧较左侧要平缓，在x=30 处管线最大沉降量为6.42 mm，位于1#通道中轴线处；由于2#通道位于1#通道右侧，则2#通道完成时根据沉降叠加原理，2#通道轴线附近管线最大沉降为6.43 mm；由于1#、2#通道结构关于中线大致对称，则两条沉降曲线也关于中线大致对称，且1#通道先开挖，最大沉降在中轴线处值达到了6.54 mm。

总结可得，1#和2#暗挖处上方管线最大沉降分别为6.54 mm 和6.43 mm，既有管线顶部沉降的最大值发生在1#通道中间位置处。

3 施工监测方案及监测结果分析

3.1 通道监测方案

根据设计要求及本段的实际情况，监控量测项目选取管线沉降部分。地下管线沉降共布设13个监测点，分布在DK21+875，布置间隔为管线上方，从左右线中线向两边3 m、5 m、5 m、8 m，左右线中线内侧测点间距分别为3 m、5.5 m。

将既有管线作为研究对象，沿管线轴向顶板布设监测点。管线沉降观测点标志埋设形式如图6 所示，通道下穿及地表监测点布置示意图如图7 所示。

图6 管线沉降观测点标志埋设图

图7 通道下穿及地表洞内监测点布置图示意图

3.2 下穿既有管线工程的模拟与监测结果对比

小间距下穿既有结构受地层开挖扰动更为敏感，因此如何监测和保护既有结构为重中之重。本文选取13 个管线观测点，按1#→2#的开挖顺序依次开挖，将通道1#、2#分别开挖完成时观察的监测值与图4 中通过有限元软件模拟得到的管线顶部竖向位移进行对比，其结果如图8 所示，研究通道在开挖过程中管线沉降变化情况。

图8 通道施工对综合管线沉降对比分析图

根据图8 可得，监测与模拟曲线两种曲线的形态及走向大致相同，但现场监测得出的管线竖向位移的走势较有限元软件模拟出的变化趋势波动更加明显，印证了实际施工状态下情况比较复杂，管线竖向的变化趋势无法按照理想状态下温和地变化这一观点。研究可得，地表最大竖向位移在1#通道挖完时，距两条通道中心线左侧10 m 处，其模拟值为-6.42 mm，距两条通道中线左侧8.8 m 处，其监测值为-7.62 mm；地表最大竖向位移在2#通道挖完时，距两条通道中线右侧10 m 处，其模拟值为-6.54 mm，距两条通道中线右侧8.8 m 处，其监测值为-7.72 mm。

地表最大竖向位移的监测数据相较于模拟数据来说都略大一些，虽位置不总在同一点，但相差无几，不超过1.5 mm；在1#通道挖完，距两条通道中线左侧8.8 m 位置处产生最大差距为1.20 mm。虽然模拟数据和监测数据有所不同，但整体而言，地表竖向位移的变化趋势大致相同。

在通道开挖的实际施工过程中，监测数据会受到地下水、天气、人工、机械等多种因素的影响，造成最终监测值的不精确，而模拟结果与现场监测结果在总体变化趋势上大致相同。这也证明，使用ABAQUS软件可以将众多变量的影响单一化，模拟结果对施工的预演和安全监测方案的设计具有参考价值，方便指导施工。

3.3 监测方案优化

根据ABAQUS 软件模拟的管线轴向竖向位移模拟分析施工过程中的薄弱环节，针对实际监测方案提出以下优化建议：①针对管线实际沉降监测时，应该在两条通道轴线处适量加密监测点，同时通道结构的沉降模拟也可只针对管线正下方的中测线进行横向的分析。因此可在实际开挖施工时，适量加密管线正下方处的通道支护的钢格栅网布置。②在进行沉降观测工作时，为了取得精准的实际监测值，应避免在高温、高折射环境下进行监测，同时不要选择在施工进行时进行测量，以避免施工过程中产生的各种荷载，减小误差[6]。③随着计算机技术的发展，水准测量、GPS测量、In SAR 监测、地下水动态监测等被越来越多地应用于工程施工安全监测过程中，可研究多种监测手段相结合的地面沉降监测网络，提高监测精度和效率，降低成本[7-8]。

4 结论

模拟分析了通道开挖管线顶部竖向位移规律，得出了管线顶部竖向位移曲线呈“W”形分布，管线的竖向位移最大出现在两条通道中轴线上方位置附近，最大值为6.54 mm，在沉降控制范围内。

基于管线轴向监测结果，提出了应适当加密监测点的布置及通道支护钢格栅网的布置，同时应结合现代监测手段建立监测网络的优化建议。

本文对重点管线的监测数据分析处理，得出了既有管线竖向位移变化规律；对管线位移的实测值与模拟值对比，判断出监测值大体上略大于模拟值，但两者总体走向是一致的，说明该数值模拟对通道开挖施工有一定的指导作用。