程　揚(yáng)，林　鍵，曹廣勇

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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西園路車站施工對(duì)地下管線影響與分析

程揚(yáng)，林鍵，曹廣勇

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

摘要：由于城市地鐵開挖不可避免的要通過地下管線，而地鐵的施工又會(huì)對(duì)地下管線產(chǎn)生損害。所以在管線不受影響的前提下保證隧道的安全施工，必須對(duì)隧道施工時(shí)臨近管線的沉降進(jìn)行研究。本文以合肥地鐵二號(hào)線西園路站隧道實(shí)際工程為背景，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)據(jù)分析的方法研究了隧道施工對(duì)下穿管線的變形影響。通過研究，發(fā)現(xiàn)了管線比較容易受到破壞的部分，并獲得了反映監(jiān)測區(qū)段管線實(shí)際變形統(tǒng)計(jì)規(guī)律的曲線方程，這將對(duì)今后類似的工程有重大的指導(dǎo)和借鑒作用。

關(guān)鍵詞：車站基坑；地下管線；管線沉降；數(shù)據(jù)分析

0引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市地表可利用空間日漸減少，構(gòu)建以城市軌道交通為骨架的公共交通體系作為城市交通的主要戰(zhàn)略，目前大多數(shù)正在修建的明、暗挖或明暗挖結(jié)合的地鐵區(qū)間及車站均需穿越大量地下管線。由于地鐵隧道工程開挖會(huì)引起周圍地面變形地層移動(dòng)，從而對(duì)城市道路下埋設(shè)的各種管線的影響也就不可避免，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響地下管線的正常使用，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性后果[1]。為了使地鐵隧道施工能夠在保證管線正常使用的前提下開展，需要研究地鐵隧道施工會(huì)對(duì)鄰近的管線產(chǎn)生怎樣的影響。本文對(duì)管線和地表沉降的影響選取具有代表性的管線，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果分析車站基坑施工對(duì)地下管線的影響規(guī)律。

1工程概況

合肥市地鐵2號(hào)線的東西走向，從西邊的長寧大道口到東邊的大眾路口。設(shè)計(jì)全長 27.764km,全線為地下線。共設(shè)車站 24 座，全部為地下車站，包括換乘站 6 座，分別與 1、2、3、4、5、6、7、8 號(hào)線換乘。西園路站位于長江西路下方，沿長江西路東西向布置。具體見圖1。

圖1　車站現(xiàn)狀地理位置示意圖

西園路站位于長江西路與西園路交叉路口，沿長江西路路中東西向布置。車站主體結(jié)構(gòu)為地下兩層12m島式車站，線間距15m，車站總長468m。

本站標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度約20.9至22.7m，深度16至21m，端頭井段基坑寬度約26.1m，深度19至22.3m，車站東西兩端區(qū)間隧道均為盾構(gòu)法施工。

2監(jiān)測設(shè)計(jì)及測點(diǎn)布置

根據(jù)信息化設(shè)計(jì)和施工的要求，對(duì)基坑進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測的主要目的是：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)監(jiān)測的要求，有效監(jiān)測和記錄工程施工的變形受力狀況、工況，及時(shí)掌握工程的動(dòng)態(tài)變化和趨勢，確保施工及周邊建筑物安全。

(2)及時(shí)反饋和報(bào)告現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行及時(shí)的修改更正，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使其更加合理和經(jīng)濟(jì)。

(3)用現(xiàn)場的實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，經(jīng)過分析研究，完善和改進(jìn)理論計(jì)算方法，使得理論計(jì)算對(duì)以后的工程有更好的指導(dǎo)作用[2]。

監(jiān)測布點(diǎn)如圖2

圖2　監(jiān)測布點(diǎn)圖

地表沉降變形監(jiān)測控制網(wǎng)(點(diǎn))與地下管線沉降共用，將地下管線沉降監(jiān)測點(diǎn)納入其中。這樣所有的監(jiān)測點(diǎn)會(huì)形成一個(gè)閉合的環(huán)網(wǎng)。本工程測點(diǎn)按監(jiān)測設(shè)計(jì)圖紙布點(diǎn)位置在受施工影響的管線上設(shè)置，重點(diǎn)布設(shè)在燃?xì)夤芫€上，布點(diǎn)圖如圖3所示。布置方法為：

(1)原則上地下管線監(jiān)測點(diǎn)重點(diǎn)布設(shè)在煤氣管、給水管、污水管、大型雨水管及市政管線方溝上，測點(diǎn)布置時(shí)要考慮地下管線與洞室的相對(duì)位置關(guān)系[3]。

(2)測點(diǎn)宜布置在管線的接頭處，沿管線每15米布設(shè)；

(3)按照設(shè)計(jì)圖紙的需要，對(duì)于特殊的管線需要布置管線管頂測點(diǎn)，對(duì)于一般的管線應(yīng)布置在管線上方對(duì)應(yīng)地表。

管線沉降監(jiān)測測點(diǎn)埋設(shè)時(shí)應(yīng)注意管線的位置是否與圖紙相符合，測點(diǎn)要能夠準(zhǔn)確的檢測出管線變形，如果需要采用鉆孔埋設(shè)方式測點(diǎn)在埋設(shè)前應(yīng)查明在鉆孔點(diǎn)周圍的管線情況，確保埋設(shè)安全。在沒有檢修井的管道沉降監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)時(shí)，埋設(shè)間接測點(diǎn)的孔徑必須大于150mm。

圖3　西園路天然氣管線監(jiān)測布點(diǎn)圖

3管線沉降分析

天然氣管線的危險(xiǎn)程度比雨水管線和污水管線要高，并且雨水管線和污水管線由于材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的原因?qū)儆谌嵝怨芫€，其對(duì)于變形的要求對(duì)于天然氣管線這一類的剛性管線小，因此本文重點(diǎn)關(guān)注天然氣管線[4]。

為了發(fā)現(xiàn)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)隨著時(shí)間變化的更為深層次的規(guī)律，根據(jù)施工的具體工況，特將監(jiān)測數(shù)據(jù)分為三個(gè)階段處理，即：2013年11月10號(hào)至2014年1月13號(hào)、2014年1月16號(hào)至2014年3月27號(hào)、2014年4月1號(hào)至2014年4月15號(hào)。

圖4　2013年11月10號(hào)至2014年1月13號(hào)各測點(diǎn)沉降變化圖

圖5　2014年1月16號(hào)至2014年3月27號(hào)各測點(diǎn)沉降變化圖

圖6　2014年4月1號(hào)至2014年4月15號(hào)各測點(diǎn)沉降變化圖

從圖4，圖5以及圖6中我們可以知道：管線的豎向位移隨著基坑開挖的進(jìn)行逐漸增大，但是各個(gè)階段的趨勢都有所不同。

在圖4中可以看出：

(1)在施工剛開始的時(shí)候，管線的位移在初期沒有發(fā)生變化，但是隨著時(shí)間的推移豎向位移值在逐漸的增加，這是由于隨著基坑施工的不斷的進(jìn)行擾動(dòng)對(duì)管線逐漸造成了影響。

(2)其中還出現(xiàn)了短時(shí)間的回彈，造成沉降變化圖中曲線的交叉，這說明了在施工的初期對(duì)于管線的擾動(dòng)導(dǎo)致管線的豎向位移不是一直在沉降，而是會(huì)發(fā)生短時(shí)間的隆起現(xiàn)象，這是因?yàn)榈谝黄陂_挖對(duì)于管線的沉降影響較小，由于第一道支撐的架設(shè)和土體短時(shí)間的回彈效應(yīng)都會(huì)對(duì)管線產(chǎn)生向上的位移。

(3)這也反映了初期支護(hù)不僅僅對(duì)于減少土體的變形好處，而且反映了其對(duì)于減少管線沉降有著較為積極的作用。但是隨著開挖的進(jìn)行，這樣的作用在施工擾動(dòng)作用下表現(xiàn)會(huì)越來越不明顯，管線沉降圖中的交叉現(xiàn)象逐漸的消失，這也從側(cè)面反映了管線沉降將要增大的趨勢[5]。

在圖5中可以看出：伴隨著管線沉降圖中交叉的消逝，沉降值逐步的增大，而且是穩(wěn)步增長。從3月24號(hào)開始沉降值的增幅有所加大，此時(shí)以后應(yīng)該關(guān)注管線沉降的變化，防止危險(xiǎn)的發(fā)生。

在圖6中可以看出：管線沉降逐漸形成勺子形的凹槽狀；監(jiān)測點(diǎn)RQ04和RQ05的沉降變化較大，而且集中體現(xiàn)在4月12號(hào)到4月15號(hào)這三天。

為了更好的研究各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)隨著時(shí)間變化的規(guī)律，另將監(jiān)測數(shù)據(jù)按照單點(diǎn)累計(jì)沉降隨著時(shí)間的變化繪制成圖7，如下所示：

圖7　每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)隨著時(shí)間的位移累計(jì)變化圖

從圖7可以看出：

(1)監(jiān)測點(diǎn)RQ01至RQ03的累計(jì)沉降差距較小，而RQ04較大，對(duì)比監(jiān)測布點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)原因是：前三個(gè)點(diǎn)處于二期工程中，并和RQ04的距離較遠(yuǎn)，由于監(jiān)測時(shí)間段只進(jìn)行了一期工程的開挖，所以前面三個(gè)點(diǎn)處于的位置土體擾動(dòng)較?。?/p>

(2)監(jiān)測點(diǎn)RQ01至RQ10的沉降值是逐漸增大的變化，成明顯的下沉趨勢，但是RQ11和RQ12較RQ10發(fā)生了沉降量的減小，根據(jù)監(jiān)測圖和相關(guān)理論分析發(fā)現(xiàn)其原因是：由于管線較長，較遠(yuǎn)端的管線是處于開挖擾動(dòng)影響較小的位置，因此管線在這一區(qū)間的變形相當(dāng)于兩端有固定約束，因此可以推測管線在整體上是呈現(xiàn)沉降槽形式的變形，而在我們監(jiān)測的局部呈現(xiàn)出了勺子形沉降形式。同時(shí)，這也反應(yīng)了管線在管土作用情況下保持著其一體性。

(3)管線最大的沉降發(fā)生在RQ10處，沉降值為40.03mm，對(duì)于剛性的天然氣管線來說沉降值比較大，因此在施工過程中要重點(diǎn)關(guān)注，防止其破壞帶來的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

根據(jù)上述的綜合分析發(fā)現(xiàn)：在第三階段管線的位移變化有小的突變，而且在上述圖中看不出收斂的規(guī)律，因此將各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在最后一個(gè)階段的隨著時(shí)間的位移累計(jì)變化單獨(dú)繪制成圖8分析其規(guī)律。

圖8　各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在最后一個(gè)階段的隨著時(shí)間的位移累計(jì)變化圖

從該圖8可以看出：除了RQ04和RQ05折線的斜率有所增加，表現(xiàn)處不收斂狀態(tài)以外，其余各點(diǎn)的斜率均無明顯增加，表現(xiàn)出較好的收斂狀態(tài)，說明在基坑施工過程中，管線的垂直沉降變化較為穩(wěn)定，從側(cè)面也反映出基坑并沒有任何失穩(wěn)的現(xiàn)象。

4管線真實(shí)位移探究

基坑開挖對(duì)于周圍土體的影響是三維的，因此產(chǎn)生的管線變形一定不是單一的豎直方向上的彎曲變形，其各個(gè)點(diǎn)的位移也一定不只有豎直方向的沉降[6]。通過對(duì)于管線對(duì)應(yīng)區(qū)域的樁體水平位移變化和土體沉降變化分析發(fā)現(xiàn)，樁體水平位移同土體的沉降的變化規(guī)律類似，具有很大的正向相關(guān)性。同時(shí)根據(jù)管線位移產(chǎn)生的機(jī)理，可以分析出管線的沉降和樁體水平位移也有這樣的關(guān)系。因此，管線的位移和土體的位移應(yīng)該同樁體位移類似，不僅僅只用沉降，而且應(yīng)該有水平方向的位移[4]。即實(shí)際的變形狀態(tài)應(yīng)該如圖9所表示：

圖9　管線位移示意圖

圖9中的AB線是管線初始的位置，曲線1為管線的水平位移，3為管線的垂直方位移，2為管線真實(shí)的變形曲線。即水平方向和豎直方向的位移矢量和為管線的真實(shí)位移狀態(tài)。

圖10　樁頂?shù)乃轿灰婆c位置坐標(biāo)關(guān)系圖

由上述分析可知:

我們監(jiān)測的管線沉降其實(shí)只是管線真實(shí)位移在豎直平面的投影值。既然想了解管線的真實(shí)位移情況，現(xiàn)在只需要管線的水平位移，但是并沒有對(duì)此進(jìn)行過監(jiān)測。

根據(jù)上述對(duì)于管線的變形機(jī)理和樁體的變形機(jī)理分析發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)有個(gè)共同的作用介質(zhì)——土體，根據(jù)這一紐帶關(guān)系和其沉降之間的相關(guān)性，我們可以用管線對(duì)應(yīng)位置的樁頂水平位移作為管線的水平位移。

根據(jù)樁體的沉降和水平位移對(duì)比發(fā)現(xiàn)，沉降值遠(yuǎn)大于其水平位移，管線的沉降也遠(yuǎn)大于樁體水平位移。(見圖10)

圖11　管線的真實(shí)變形曲線

圖12　管線實(shí)際變形曲線擬合圖

因此本文中利用樁頂?shù)乃轿灰坪凸芫€沉降疊加求得管線實(shí)際位移曲線見圖11，并擬合該數(shù)據(jù)，通過不斷的調(diào)試，發(fā)現(xiàn)管線真實(shí)變形曲線更大程度上可以用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合(如圖12)，得到管線實(shí)際變形方程為：

y=1.69307×10-5x3-0.00378x2-

0.02684x-7.04816(R=0.986)

(1)

其中，自變量是管線監(jiān)測點(diǎn)的橫向位置坐標(biāo)，以監(jiān)測的第一個(gè)點(diǎn)RQ01為零點(diǎn)，按照監(jiān)測點(diǎn)編號(hào)遞增，取值區(qū)間是：x[0,180]；因變量是管線實(shí)際變形值。由于在擬合過程中沉降的單位是mm，而監(jiān)測點(diǎn)的位置坐標(biāo)的單位是m，因此若是用擬合出來的方程計(jì)算出的沉降或者對(duì)于沉降點(diǎn)位置坐標(biāo)的單位應(yīng)要與之對(duì)應(yīng)。

5結(jié)論

本文以合肥地鐵二號(hào)線西園路站隧道實(shí)際工程為背景，運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)據(jù)分析的方法研究了隧道施工對(duì)下穿管線的變形影響，通過研究我們得出以下結(jié)論：

(1)通過各測點(diǎn)隨時(shí)間變化沉降圖發(fā)現(xiàn)：管線沉降隨著開挖的進(jìn)行逐步顯現(xiàn)出規(guī)律，在監(jiān)測點(diǎn)RQ01和RQ02處變形量較小，RQ10處變形量最大，說明RQ10段是最為危險(xiǎn)的部分這一段；這樣勺子形的凹槽狀會(huì)使得在監(jiān)測點(diǎn)RQ09到RQ11這一段的管線承受的彎矩較大，是比較容易受到破壞的部分。

(2)管線最大的沉降發(fā)生在RQ10處，沉降值為40.03mm，對(duì)于剛性的天然氣管線來說沉降值比較大，因此在施工過程中要重點(diǎn)關(guān)注，防止其破壞帶來的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

(3)斜率均無明顯增加，表現(xiàn)出較好的收斂狀態(tài)，說明在基坑施工過程中，管線的垂直沉降變化較為穩(wěn)定，從側(cè)面也反映出基坑并沒有任何失穩(wěn)的現(xiàn)象。

(4)真實(shí)位移擬合公式(1) 擬合曲線反映了監(jiān)測區(qū)段管線實(shí)際變形的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。由于同一條管線變形和受力的一致性，在同一條管線上，可以放寬自變量取值區(qū)間，根據(jù)擬合公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)點(diǎn)管線的實(shí)際變形取值，該取值具有一定的參考意義[7]。

(5)由于基坑開挖對(duì)地下管線的影響是一個(gè)與工程實(shí)際相聯(lián)系的應(yīng)用型課題，其涉及到土體的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性，也涉及到了土體與構(gòu)成管線的管道結(jié)構(gòu)之間的作用，最重要的是這類課題還有很強(qiáng)的工程個(gè)案性特征。由于問題的復(fù)雜性，還有一些問題需要進(jìn)行一步研究和完善。

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Analyis of the Effect of Xiyuan Road Station Construction on Pipelines

CHENG Yang, LIN Jian， CAO Guangyong

(Civil engineering school, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022, China)

Abstract:As far as the serious damage to underground pipelines in subway construction has been concerned, which is inevitable because the urban subways are always excavated through the underground pipelines, a study on the nearby pipelines' subsidence in tunnel construction is essential for the sake of safe construction without any affection to the pipelines. Based on the practical construction of the tunnel in Xiyuan Road Station in Line 2 of Hefei Metro, this essay has made a study on the wear pipelines deformation under the damage of the tunnel construction by the means of actual measurement and data analysis. In this study, not only the easily damaged parts of pipelines have been found, but also a curvilinear equation which reflects the actual deformation of monitored sections of the pipelines has been obtained, and both will be of significant guidance and reference to the similar projects in the future.

Key words:station foundation pit; underline pipelines; pipe settlement; numerical simulation

中圖分類號(hào)：TN911.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2016)01-020-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160105

作者簡介：程揚(yáng)(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈叵鹿こ?，結(jié)構(gòu)工程。

收稿日期：2015-06-16