郭 斌 王沈力 張森安

(甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

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·橋梁·隧道·

蘭州地鐵開挖對臨近地下管線的影響探討

郭 斌 王沈力 張森安

(甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

以蘭州軌道交通1號線明挖法開挖段工程為例，利用FLAC3D有限差分軟件，建立了三維地質(zhì)模型，對某區(qū)間開挖過程中周邊地下管線的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析，有限差分法分析及實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，地鐵開挖對地下管線的位移有顯著影響，進(jìn)而定性分析了管道變形規(guī)律。

地鐵，地下管線，F(xiàn)LAC3D，沉降量

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市交通面臨著嚴(yán)峻的局勢，地鐵建設(shè)已經(jīng)成為一種解決城市公共交通的重要途徑之一，然而，蘭州地處隴西黃土高原，其工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及工程周圍環(huán)境條件復(fù)雜，加之地鐵施工會(huì)引起地面沉降變形，進(jìn)而導(dǎo)致地下管網(wǎng)的變形。

蘭州市軌道交通一號線一期工程修建在繁華鬧市區(qū)，西起陳官營，東至東崗，線路全長26.798 km，皆為地下線路。地鐵沿線各類市政管線錯(cuò)綜復(fù)雜，均承擔(dān)著蘭州市民的重要民生功能，破壞后對市民正常生活將造成一定影響。自2014年開工建設(shè)以來，地鐵1號線沿線出現(xiàn)了多起工程事故，制約著蘭州市地鐵建設(shè)的發(fā)展，并且極大的影響了市民生活。

地鐵深基坑工程的規(guī)模和施工難度也在日益增大。蘭州地區(qū)地鐵也在建設(shè)當(dāng)中，如何避免由于地鐵深基坑及開挖降水而引起周邊地下管道變形過大而破裂，已經(jīng)成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問題。蘭州地鐵1號線車站都建在繁華鬧市區(qū)，周圍各種地下管道錯(cuò)綜復(fù)雜，如若基坑開挖保護(hù)措施不當(dāng)，必將引起地下管道的破裂，從而造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。因此針對蘭州地鐵開挖施工及降水對周邊地下管道的影響的研究就顯得尤為重要。

目前現(xiàn)有的研究理論在軟土地區(qū)相對比較成熟，而對于蘭州地區(qū)土層復(fù)雜的地鐵車站深基坑的數(shù)值模擬還相對較少，因此深入系統(tǒng)地開展“蘭州地區(qū)地鐵車站深基坑開挖及降水對周邊管道影響的數(shù)值分析與研究”是十分有必要的，同時(shí)對完善理論分析及工程設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

深基坑降水要貫穿基坑開挖的全過程，所以在施工過程中要著重保護(hù)地下管道。近年來，國內(nèi)針對深基坑降水對基坑周邊環(huán)境影響分析較多，王雨通過理論分析及有限元計(jì)算軟件模擬分析了隧道開挖對剛性地下管線的影響；吳賢國等對地鐵施工對鄰近管線的安全影響進(jìn)行了分析探討，研究地鐵施工鄰近管線安全風(fēng)險(xiǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)，并提出了地鐵施工鄰近管線安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系，為不同風(fēng)險(xiǎn)等級的鄰近管線安全管理控制提供可靠依據(jù)，朱慶杰等對管土摩擦和管徑對管道破壞的影響進(jìn)行了分析。本文主要通過三維有限元法重點(diǎn)研究蘭州地區(qū)地鐵車站深基坑開挖及降水對鄰近地下管道的影響，為蘭州地區(qū)地鐵車站及類似深基坑設(shè)計(jì)和施工提供重要的依據(jù)。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 模型尺寸及邊界條件

本次計(jì)算選取甘肅蘭州軌道交通1號線拱星墩—焦家灣區(qū)間暗挖工程對自來水管道的影響分析?？紤]到施工過程中的空間效應(yīng)，計(jì)算模型取其有效影響范圍，即2倍～3倍隧道埋深。根據(jù)該區(qū)間的典型斷面建立了一個(gè)三維地質(zhì)模型，模型長80 m，寬20 m，自地表60 m厚的土體作為計(jì)算范圍，重點(diǎn)分析了蘭州軌道交通1號線拱星墩—焦家灣區(qū)間暗挖法施工對自來水管道產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，計(jì)算模型有27 400個(gè)單元，334 444個(gè)節(jié)點(diǎn)。計(jì)算模型如圖1所示。模擬邊界條件的選取時(shí)除了頂面取為自由邊界，其他面均施加法向約束邊界條件。

本論文中的計(jì)算過程，地層模型采用大變形理論。模型中，地鐵區(qū)間隧道初期支護(hù)和結(jié)構(gòu)周圍土體采用實(shí)體單元，自來水管道采用Shell結(jié)構(gòu)單元，以砂漿M10強(qiáng)度作為模擬計(jì)算參數(shù)，不同的土層采用不同的材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算邊界條件的選取除了頂面為自由邊界外，其他面均采用法向約束。計(jì)算荷載考慮既有隧道結(jié)構(gòu)自重、土體豎向自重力等。土層從上往下依次為素填土層、黃土狀土層、卵石層以及砂巖層。

計(jì)算參數(shù)見表1,表2。

表1 巖土體參數(shù)取值表

表2 結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2 模擬施工過程工況

為綜合施工中的各種施工不利因素，本計(jì)算選取關(guān)鍵工況進(jìn)行分步開挖(見圖2～圖5)，以小導(dǎo)管超前注漿→臺(tái)階開挖留核心土→上臺(tái)階初期支護(hù)，并施作臨時(shí)仰拱→下部開挖→下部初期支護(hù)→先墻后拱法施工二次鋼筋混凝土襯砌。

注漿與開挖模擬按如下工況進(jìn)行：超前加固，地層超前小導(dǎo)管注漿；隧道開挖：先進(jìn)行右線開挖，后進(jìn)行左線開挖。隧道分上下2個(gè)導(dǎo)洞施工，每個(gè)導(dǎo)洞均采用正臺(tái)階法，即預(yù)留核心土的環(huán)向開挖，步距為2 m，并施作臨時(shí)仰拱，上導(dǎo)洞開挖8 m～16 m后開挖下導(dǎo)洞，本次模擬計(jì)算按照施工模擬順序進(jìn)行。主要工況如下。

2 地下管道應(yīng)力應(yīng)變分析

從圖6～圖9可以看出，右線開挖完成后，地表最大沉降量為21.3 mm，自來水管道最大沉降為21.3 mm，整體均勻沉降，自來水管道最大水平位移為7.2 mm。右線貫通后，地表的最大沉降量為21.3 mm，沉降點(diǎn)最大值并不是隧道中線位置上方，而最大沉降量的位置在自來水管道附近。第一主要是因?yàn)樽詠硭艿朗且粋€(gè)相對于周圍巖土體剛度較大的剛性管道，整體性較強(qiáng)，地鐵隧道開挖卸荷引起周邊巖土體發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變，自來水管道的應(yīng)力應(yīng)變也隨之變化，所以巖土體變形最大值位于自來水管道附近。另外由于自來水管道的存在影響了地層變形的傳遞連續(xù)性，剛度較大的自來水管道對其上方的土體的變形還起到了一定的積極作用。

當(dāng)雙線貫通后(見圖10～圖13)，地表最大沉降量為31.5 mm，引起7 mm的地表附加沉降，最大沉降點(diǎn)位置沒有發(fā)生較大的變化，引起的自來水管道的附加沉降量為5 mm左右。右線施工時(shí)的土體加固作用提高了右線周邊土體的強(qiáng)度，該強(qiáng)度對左線開挖時(shí)土體的變形起到了相應(yīng)的抑制作用。

3 與實(shí)測值進(jìn)行對比分析

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，拱星墩—焦家灣區(qū)間，地表最大沉降累計(jì)為-119.64 mm(DB32-01)，沉降速率為-3.470 mm/d,DB31-01最大負(fù)向沉降量為94.57 mm；上水管線豎向位移-77.307 mm(GS2-36)，最大負(fù)向速率為-4.750 mm/d；GS1-36,78.187 mm，GS1-37，25.5 mm；污水豎向位移最大值為-97.003 mm(GW1-34)，GW2-31最大負(fù)向累計(jì)為65.150 mm。

地表監(jiān)測了13點(diǎn)，截至2015年3月19日的平均沉降量為34.18 mm，給水管線監(jiān)測30點(diǎn)，累計(jì)平均沉降量為30.37 mm。

而數(shù)值計(jì)算的結(jié)果地表最大沉降量為31.5 mm，誤差在20%以內(nèi)，從而驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法可行性，結(jié)果可為自來水管道的防護(hù)方案提供理論支持。

根據(jù)以上的分析，結(jié)合圖6～圖13可知：引起的變形與應(yīng)力變化主要是由隧道右線開挖引起的，也就是隧道開挖對臨近自來水管道的應(yīng)力應(yīng)變影響較大，左線開挖引起的自來水管道的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生相對微小的變化，這是由于左線開挖引起的應(yīng)力應(yīng)變影響范圍波及不到該段自來水管道的緣故；另外，結(jié)構(gòu)二襯對自來水管道的應(yīng)力應(yīng)變影響較小。

另外，根據(jù)施工檢測數(shù)據(jù)，拱星墩—焦家灣區(qū)間地表及自來水管線的沉降變形量可以看出,隨著時(shí)間的推移，沉降量先增大后趨于平穩(wěn)。DB20-01沉降量最大值為46.6 mm；給水管線GS1-22,GS1-23,GS1-26,GS1-34,GS1-36,GS1-38的沉降量最大值為94.1 mm,64.1 mm,61 mm,28.6 mm,111.3 mm,61.7 mm。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

通過對拱星墩—焦家灣區(qū)間礦山法施工進(jìn)行了有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算，分析了地鐵隧道開挖對自來水管道的影響。根據(jù)對數(shù)值模擬的分析，可以得出以下結(jié)論：

1)隧道的開挖對自來水管道產(chǎn)生了變形變化，主要表現(xiàn)為豎向沉降，豎向沉降最終為22.25 mm，其中：右線的開挖是引起自來水管道和土體變形的主要工序，占整個(gè)變形的90.8%；左線開挖引起自來水管道的附加沉降占整個(gè)變形的9.2%；二襯施工對自來水管道的影響較??；水平位移變化的影響較小。

2)隧道的開挖引起了周邊土體的沉降，豎向沉降最大值為31.5 mm，其中：右線開挖是引起地表沉降的主要工序，占整個(gè)沉降的93%；左線開挖引起地表附加沉降占整個(gè)沉降的6.7%；二襯施工對地表沉降的影響較??；水平位移變化的影響較小。

3)隨著管道距隧道的距離越大，其豎向變形量與水平變形量均減小。

4.2 建議

1)按照國家、行業(yè)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對地鐵周邊自來水管道進(jìn)行沉降變形監(jiān)測，出現(xiàn)陡降或超過規(guī)范允許變形值時(shí)，建議加大監(jiān)測頻率、分析原因，對基坑位移監(jiān)測數(shù)據(jù)予以重視，及時(shí)采取相應(yīng)防范、保護(hù)與有效加固措施，并通報(bào)管線主體單位。當(dāng)自來水管道變形監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生破壞時(shí)，建議進(jìn)行補(bǔ)充修繕。

2)建議地鐵施工單位制定基坑、隧道施工作業(yè)人員緊急救援預(yù)案，防止因軌道施工引起的給水管道爆裂導(dǎo)致產(chǎn)生重大基坑失穩(wěn)、人員傷亡事故和設(shè)備損壞事故。

3)建議自來水管線單位派專人進(jìn)行巡查，加強(qiáng)了巡線密度，掌控軌道交通施工工況及施工進(jìn)度，全面了解其對自來水管道的影響因素，做好管線維護(hù)。

[1] 王 雨.地鐵隧道施工對地下管線變形的影響研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

[2] 吳賢國,曾鐵梅,張立茂.地鐵施工鄰近管線安全風(fēng)險(xiǎn)管理研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2013(9):127-132.

[3] 吳 波，高 波，索曉明．城市地鐵隧道施工對管線的影響研究[J].巖土力學(xué)，2004(4):657-662.

[4] 王文輝．盾構(gòu)隧道下穿西氣東輸管道保護(hù)方案[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(10):70-74．

[5] 馬石城，李杰輝，印長俊.深基坑開挖對周邊管線位移的影響分析[J]．湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(3):23-27.

[6] GB 50739—2011,復(fù)合土釘墻基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

Discussion of influence of excavation of Lanzhou subway on near underground pipeline

Guo Bin Wang Shenli Zhang Sen’an

(GansuChinaBuildingMunicipalEngineeringSurveyandDesignInstitute，Lanzhou730000，China)

Taking the excavation engineering of Lanzhou Metro Line 1 as the example, three-dimensional geological model was build with the finite difference software of FLAC3D, stress and strain of the surrounding underground pipelines were comprehensively analyzed under the conditions of excavation. On the basis of finite difference analysis and actual monitoring data, it was found that subway excavation has a significant impact on the displacement of underground pipelines. At the same time, deformation law of underground pipelines was qualitatively analyzed.

subway, underground pipeline, FLAC3D, settlement

1009-6825(2017)10-0161-03

2017-01-22

郭 斌(1987- )，男，碩士，工程師； 王沈力(1983- ),男，碩士，高級工程師； 張森安(1963- ),男，教授級高級工程師

U231

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