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地铁深基坑开挖对既有管线影响分析及保护措施

2024-11-21 104 上传者：管理员

摘要：为研究基坑开挖对周边管线的影响，以福州地铁6号线潘墩站为工程背景，采用现场实测结合数值分析的方法对管线的变形和应力响应进行了研究，并提出了管线保护措施。研究结果表明，根据管线变形开展管线损伤评估并不合理，基于管线变形数据可推算管线的应力状态，判定管线安全程度。管线保护措施须根据施工工况和地质条件综合选择。研究结果可为类似工程设计和施工提供参考。

关键词：
土体加固
应力状态
深基坑
管线变形
隔离法
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近年来，随着我国城市化进展的加快，地面空间开发资源逐渐减少，地下空间的大规模开发对地下管线产生了影响，如何保障城市“生命线”的安全成为工程研究中的关注热点。

针对基坑开挖对地下管线的影响，已有相关学者进行了研究分析。蔡忠祥等[1]将管线视为刚度变化的Euler-Bernoulli梁，推导了地面堆载条件下管线的受力与变形特性。俞剑等[2]推导了考虑管线埋置深度的地基模量计算公式，并验证了公式的合理性。张陈蓉等[3]采用有限差分法建立了管线挠曲函数，并将其与实测值对比，验证了该方法的适用性。郭盼盼[4]基于Pasternak双参数地基模型和一阶中心差分理论给出了管线受力与变形预测公式。焦宁等[5]以南京地铁一号线某基坑工程为背景，基于PLAXIS 3D建立三维数值模型，分析了土岩复合地基中管线的受力与变形特性。检索结果表明，针对软土地区管线变形的空间效应研究较少，且工程中大多数以管线变形作为管线安全状态的评价指标。

本文依托福州地铁6号线，研究了闽江地带深基坑开挖对周边地下管线的影响，并针对性提出了管线保护措施，以期为工程设计和施工提供参考。

1、工程概况

1.1 工程简介

福州地铁6号线位于福州市仓山区，潘墩站一期基坑长度205.8 m, 标准段宽14.3～31.5 m, 开挖深度22.56～24.16 m, 为地下2层局部3层岛式明挖车站。

围护结构采用1 m厚地下连续墙、SMW工法桩，标准段基坑内共设六道支撑，其中第一、三道为700 mm×1 000 mm钢筋混凝土支撑，第二、四、五、六道为∅800 mm钢管支撑，基坑支撑设计如图1所示。

图1基坑支撑设计(单位：mm)

本工点地下管线较多，基坑内原电力管、污水管、通信光缆等已全部迁改至基坑外。主体基坑西侧有1根给水管，直径为1.2 m, 钢管材质，埋深1.8～3.4 m, 距离基坑标准段10.2 m; 另有一根燃气管，为直径0.5 m的钢管，管道埋深1.2～2.2 m, 距离基坑标准段11.0 m。两根管线平面位置如图2所示。

1.2 地质条件

潘墩站地层呈多元结构，场地岩土层分布以淤泥、淤泥质土、粉质黏土、中粗砂为主，主要地层物理性质描述见表1。

图2周边管线平面位置

表1土层物理性质描述

福州位于闽江地带，河床底部沉积时间短，地层结构松软，固结性较差，地层工程性质差，修建地铁难度较大。工程建设期间，经常出现诸如临近构筑物沉降较大等问题，如何控制临近构筑物变形是首要难题。

2、管线的破坏模式及控制标准

2.1 管线破坏模式

地下管线结构失效的主要原因为边界条件和荷载效应的变化。深基坑开挖会引起周边地层变形，导致管线的应力和变形增大，引起管线屈曲。深基坑周边地下管线的变形与其位置、埋设深度、材料刚度及地质条件等密切相关。

地下管线的破坏模式主要有以下几种：①管壁破坏，因管壁内应力过大导致管壁屈服或者破裂失效。②管线纵向屈服，管线受到沿轴向的拉压应力而达到其强度极限。③管壁压屈，在管壁内外压力差作用下，管壁刚度不足而导致管壁压屈。④接头转角过大，即使管线未发生破坏，但因接头处发生裂缝或渗漏等，管线失效。

2.2 管线安全控制标准

确定地下管线安全状态判别指标及其容许值是开展地下管线损伤评估和制定保护措施的重要依据。目前，地下管线安全性判别指标可分为两大类：一是根据管线变形来判断管线的安全状态；二是根据管线应力状态是否达到设计强度来判别。根据管线变形确定管线安全状态实用性更强、更为直观。然而，针对地下管线附加变形的承受能力，目前尚无统一标准，表2总结了不同地区管线变形容许值的规定。根据对管线变形控制标准的调研，燃气管线容许沉降建议取值10～15 mm, 给水管容许沉降建议取值20 mm。

表2地下管线沉降控制标准

3、基坑开挖对管线影响

3.1 测点布置

基坑开挖期间，为明确深基坑开挖对临近地下管线的影响，施工过程中对管线进行了跟踪监测，给水管测点间距为10～25 m, 共计19个测点(J01～J19);燃气管测点间距为6.5～25.0 m, 共计20个测点(R01～R20),管线接头位置为重点监测对象，地下管线测点布置如图3所示。

图3管线测点布置

3.2 变形分析

福州地铁6号线施工会对基坑周边管线产生影响，基坑西侧1根给水管、1根燃气管，材质均为钢材，管线位于基坑中部沉降值较大，即图中J06～J10、R05～R09,图4为基坑开挖后管线各测点最终沉降曲线。图5、图6分别为基坑开挖期间给水管和燃气管变形较大部位的沉降时程曲线。

图4给水管和燃气管最终沉降曲线

图5基坑开挖期间给水管沉降时程曲线

图6基坑开挖期间燃气管沉降时程曲线

由图5～图7可知，随着开挖工况的进行，给水管和燃气管沉降值均明显增大，开挖至坑底时(24周),沉降趋于稳定。给水管累计沉降最大为23.87 mm, 测点编号为J08;燃气管累计沉降最大为22.23 mm, 测点编号为R08,两测点均靠近基坑中部位置。靠近封堵墙及坑角范围，管线位移逐渐减小并趋于稳定。

依据前文文献调研，给水管及燃气管沉降值已超过建议取值，管线安全状态判别有待进一步探究。考虑现有技术方法，可以借助管线监测数据拟合管线变形对水平间距的函数关系，基于管线曲率计算管线应力，判定管线的安全状态[8]。

根据管线监测数据计算得到的管线应力如图7所示，给水管最大应力为70.4 MPa, 燃气管最大应力为96.5 MPa。根据《钢结构设计标准》(GB50017-2017),钢管屈服强度为235 MPa。由图7可知，监测结果表明管线沉降已超过容许值，但管线应力低于其屈服强度，表明管线处于安全状态。由此可见，依据管线沉降值判定管线安全状态并不合理。

图7给水管和燃气管应力计算结果

3.3 应力分析

实际工程中，管线应力监测较为复杂，为研究基坑开挖引起的地层变形对既有管线的影响，采用Midas软件开展有限元仿真分析。图8为基坑开挖干涉管线受到影响的数值分析模型，管线采用壳单元模拟，计算参数为：钢材弹性模量206 GPa、泊松比0.29。将现场实测变形数据施加于管线对应节点上，通过变形反算管线的应力状态，从而判定管线安全程度。

图8管线数值分析模型

计算数据可用于开展管线的应力分析，图9为燃气管线的应力云图。由有限元计算结果可知，燃气管顶部最大压应力为59.9 MPa, 底部最大拉应力为93.1 MPa, 安全系数为2.52,应力最大位置为R07～R09段，即管线曲率最大的地方；给水管顶部最大压应力为54.8 MPa, 底部最大拉应力为74.1 MPa, 安全系数为3.17。

图9燃气管线应力云图

4、管线保护措施

4.1 隔离法

通过钢板桩、搅拌桩等形成隔离体，限制地下管线周围土体的位移，从而减小管线的变形和应力，这种方法需要将隔离体打入管线底部以下，才能起到隔断作用。

4.2 土体加固

基坑开挖时，基坑周边土体应力释放而造成土体位移和管线沉降，可在施工前对地下管线周围土体进行注浆加固，提高土体强度从而限制管线变形。由于福州地区地质松软，注浆压力可能加剧管线沉降，基坑开挖期间不推荐使用。

4.3 悬吊法

基坑开挖期间无法中断交通，基坑周边土体位移较大而造成管线悬空，可借用周边构筑物支护结构打设排桩，在顶部架设贝雷梁，贝雷梁下方利用吊索悬吊固定管线，吊索的长度可主动调整从而实现对管线变形的主动控制，如图10所示。

图10悬吊法用于管线保护(单位：mm)

4.4 支撑法

基坑周边土体沉降较大，可沿管线走向设置若干支撑点，可采用对拉钢绞线或打设支撑桩等措施，如图11所示。对拉钢绞线适用于管线较多的情况，也可做到永久性防护；而打设支撑桩无法适应多管线情况。

图11支撑法用于管线保护(单位：mm)