鄭航

摘要 文章以天津某地鐵明挖基坑為工程背景，針對大直徑換水管與地鐵結(jié)構(gòu)平、剖面交叉重疊情況，在不影響換水管使用且不影響地鐵功能的前提下，將地鐵方案進行優(yōu)化，通過“臨時廢除+管線原位復(fù)位+懸吊保護”形式，滿足地鐵圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施作條件。并結(jié)合有限元數(shù)值模擬以及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證方案合理性和可行性，為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞 地鐵；明挖基坑；換水管；懸吊保護；有限元分析

中圖分類號 TU990.3文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0121-03

0 引言

隨著城市化進程及城市建設(shè)的不斷發(fā)展，地鐵線網(wǎng)日趨密集，車站周邊環(huán)境亦愈發(fā)復(fù)雜。地鐵建設(shè)場地多處于市區(qū)繁華區(qū)域，周邊環(huán)境條件成為限制地鐵設(shè)計和施工的重要因素，其中，市政管線尤其不可忽視。該文以天津某地鐵明挖基坑為工程背景，針對大直徑換水管與地鐵結(jié)構(gòu)平、剖面交叉重疊的特殊情況，通過優(yōu)化設(shè)計方案，合理組織施工工序，并提出“臨時廢除+管線原位復(fù)位+懸吊保護”方案[1]，在不影響換水管使用且不影響地鐵功能的前提下，同時滿足了地鐵圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施作條件，并結(jié)合數(shù)值模擬以及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證方案可行性[2-3]，為類似地鐵與市政管線沖突的工程案例提供參考。

1 工程概況

1.1 工程與水文地質(zhì)

沿線場地地勢平坦，地層巖性分布相對均勻。地鐵基坑影響范圍的土層主要為素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土，局部存在淤泥質(zhì)黏土?？辈炱陂g測得場地地下潛水水位：初見水位埋深2.6～3 m，靜止水位埋深1.8～2.3 m。

1.2 地鐵工程簡介

天津某地鐵明挖工程，長度約350 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度21.8 ～23.05 m。結(jié)構(gòu)豎向沿線路左線中心線由小里程向大里程2‰降坡，頂板覆土約4.46 m，小里程端接頂管隧道，大里程端接盾構(gòu)隧道。主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度約20.38 m，小里程頂管井基坑開挖深度約21.734 m，大里程盾構(gòu)井基坑開挖深度約22.246 m。地鐵平面布置如圖1所示。

1.3 地鐵基坑支護結(jié)構(gòu)

基坑支護安全等級為一級，變形控制保護等級為一級，圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段厚度為0.8 m，大小里程端頭井段厚度為1 m，墻長38～40 m。地下連續(xù)墻兼作止水帷幕，隔斷第一層承壓水，第二層承壓水設(shè)置減壓井按需減壓。基坑采用5道支撐+1道換撐，其中首道為鋼筋混凝土撐，其余為Φ800、t=16的鋼管撐。

1.4 換水管與地鐵工程相對關(guān)系

地鐵結(jié)構(gòu)小里程東北側(cè)存在一根周邊河道換水管，管徑為DN1500，管底埋深約6 m，與地鐵結(jié)構(gòu)在平面和豎向均存在交叉，影響地鐵施工，關(guān)系如圖2所示。

1.5 管線處置措施及地鐵方案優(yōu)化

結(jié)合周邊環(huán)境情況，該換水管不具備永久切改條件。因場地條件限制，若對該管線進行臨時切改，需增加交通導(dǎo)行工作量，亦需切改基坑邊其余管線為換水管提供切改空間，導(dǎo)致施工工序增多且增加工期；由于地鐵明挖現(xiàn)澆箱形結(jié)構(gòu)與頂管區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)形式差異，且車站小里程為配線區(qū)，配線道岔需避讓結(jié)構(gòu)形式差異區(qū)域，結(jié)構(gòu)端墻回縮會影響道岔運行；若保證道岔處結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)一，需采用暗挖工程或?qū)敼芄芄?jié)進行加固改造，增大工程風(fēng)險、投資及工期。故考慮將管線進行原位保護，結(jié)合該處地鐵結(jié)構(gòu)形式，通過局部優(yōu)化地鐵基坑支撐布置形式，基坑開挖階段利用板撐支托管線；局部優(yōu)化地鐵頂板標(biāo)高，豎直方向永久避讓管線，創(chuàng)造管線原位保護條件。優(yōu)化后方案如圖3所示。

2 換水管保護方案

2.1 總體工藝流程

經(jīng)與產(chǎn)權(quán)單位進行溝通，當(dāng)前季節(jié)換水頻次為半月一次，非換水期間具備臨時廢除條件。據(jù)此提出“臨時廢除+管線原位復(fù)位+懸吊保護”方案，管線廢除期間若進行換水采用臨時抽調(diào)水，總體工藝流程為：①對該DN1500換水管進行臨時廢除；②施工換水管臨時調(diào)水井并根據(jù)需求進行臨時調(diào)水；③對地鐵地連墻范圍內(nèi)換水管進行清障；④施工地鐵地連墻圍護；⑤施工復(fù)位換水管圍護并進行開挖；⑥開挖基坑至復(fù)位換水管底標(biāo)高，施作換水管懸吊保護的結(jié)構(gòu)底板；⑦進行地連墻局部開洞，完成換水管原位復(fù)位；⑧施工懸吊保護的結(jié)構(gòu)側(cè)墻，將換水管與地鐵基坑完全隔離，形成完備的保護措施；⑨回填懸吊保護管線區(qū)域土體，進行地鐵基坑開挖回筑。

2.2 換水管原位復(fù)位基坑支護與懸吊保護方案

DN1500換水管原位復(fù)位的地鐵外基坑采用Q295bz-400×170拉森鋼板樁+兩道Φ402×12鋼支撐的支護形式，與地鐵結(jié)構(gòu)沖突部位利用地鐵圍護結(jié)構(gòu)（地連墻+冠梁）進行支護，地鐵基坑內(nèi)采用放坡開挖。

拉森鋼板樁與地鐵圍護地連墻接駁處采用3根Ф800@500 mm、深度同拉森鋼板樁長的高壓旋噴樁進行接縫止水。

考慮該換水管為混凝土管線，且自重較大，結(jié)合換水管與基坑斜角關(guān)系，采用大型板撐兼做基坑角部支撐作為管線豎向支撐結(jié)構(gòu)。土方開挖到設(shè)計標(biāo)高后，進行板撐施工，板撐與地連墻處鋼筋采用接駁器連接。為避免懸吊換水管在地鐵開挖期間發(fā)生滲漏影響地鐵基坑，通過板撐及保護側(cè)墻將換水管進行封閉隔離。具體管線方案如圖4所示。

3 有限元分析

3.1 模型建立

為了充分論證換水管懸吊保護方案的可行性，分析地鐵基坑及換水管的變形情況，采用有限元分析軟件Midas GTS NX，巖土單元本構(gòu)模型采用修正莫爾—庫侖模型，土體采用3D實體單元，圍護結(jié)構(gòu)地連墻、主體結(jié)構(gòu)、換水管采用2D板單元，基坑內(nèi)支撐與換撐采用1D梁單元，按照實際尺寸建立整體三維有限元模型，并按自地鐵基坑開挖直至主體結(jié)構(gòu)回筑完成的實際施工順序進行數(shù)值分析計算，具體模型示意圖如圖5所示。

3.2 計算結(jié)果

根據(jù)分析情況，地鐵基坑開挖至坑底時，基坑變形和換水管變形最大，各方位的變形云圖如圖6～8所示。

由數(shù)值計算結(jié)果可知：基坑周邊土體豎向變形沉降最大值為20.74 mm，水平變形最大值為22.97 mm，滿足基坑變形控制要求。

根據(jù)產(chǎn)權(quán)單位要求，換水管沉降監(jiān)測控制值：最大沉降累計值達15 mm，變化速率2 mm/d，差異沉降0.15%Li（Li為管節(jié)長度）。地連墻洞口處換水管豎向變形約7 mm，地連墻洞口至相鄰檢修井間的管節(jié)長度9 m，管節(jié)范圍內(nèi)最大豎向變形22.45 mm＞15 mm，差異沉降（22.45?7）/9 000*100%=0.17%＞0.15%，不滿足產(chǎn)權(quán)單位提出的變形要求?？紤]計算模型中換水管與地連墻為硬接觸，對計算結(jié)果有一定影響。在換水管穿越地連墻處，應(yīng)充分考慮消除地鐵施工階段地連墻變形對換水管的作用。故要求現(xiàn)場采用柔性套管+內(nèi)部混凝土管的形式，避免換水管與地連墻硬接觸，控制沉降。

4 施工監(jiān)測情況

為了確保換水管在地鐵基坑施工期間的安全性，并進一步驗證換水管懸吊保護方案的合理性，該項目進行了完善的施工監(jiān)測工作，全面掌握該項目施工過程中地鐵基坑和換水管的變形情況。具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果，換水管及地鐵基坑監(jiān)測指標(biāo)滿足各項監(jiān)測要求。

5 結(jié)論與建議

周邊環(huán)境條件尤其市政管線的限制是影響地鐵設(shè)計和施工的重要因素。針對大直徑換水管與地鐵結(jié)構(gòu)平、剖面交叉重疊的特殊情況，通過優(yōu)化地鐵結(jié)構(gòu)，并采用“臨時廢除+管線原位復(fù)位+懸吊保護”方案可以在不影響換水管使用且不影響地鐵功能的前提下，滿足地鐵圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施做條件。

數(shù)值模擬中，地下連續(xù)墻與懸吊保護換水管為共同變形，分析結(jié)果顯示管線變形不滿足要求。故換水管穿越地連墻處，應(yīng)充分考慮地鐵施工階段地連墻變形對換水管的影響，通過采用柔性套管+內(nèi)部混凝土管的形式，避免換水管與地連墻硬接觸。

施工監(jiān)測數(shù)據(jù)充分驗證了方案的合理性和可行性，基坑變形和換水管絕對沉降、差異沉降均滿足規(guī)范和產(chǎn)權(quán)單位要求。

參考文獻

[1]龍治強. 橫跨基坑大直徑污水管線原位懸吊技術(shù)研究[C]//《施工技術(shù)》雜志社，亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司. 2022年全國土木工程施工技術(shù)交流會論文集（上冊）. 2022： 4.

[2]鄒淼，吳祿源，王磊. 某地鐵車站深基坑開挖對臨近管線的影響分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2016（3）： 106-111.

[3]張琨. 橫跨地鐵明挖基坑大直徑給水管線保護技術(shù)[J]. 山東交通科技，2016（5）： 80-82+84.