雨水方沟受邻近地铁车站基坑施工影响的安全评估

李兴高，王 霆

(北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心，北京 100044)

随着我国地铁建设的大规模发展，地铁施工对邻近各类管线和管沟的影响将不可避免。若影响过大，就会影响到既有管线和管沟的正常使用，而且也会对地铁施工带来较大的安全隐患。地铁施工中管线和管沟渗漏诱发工程灾变的事故已不是少数。因此，为确保地铁施工中邻近管线、管沟的正常使用和地铁施工本身的安全，有必要在地铁施工前对邻近管线和管沟受地铁施工的影响进行安全评估。

安全评估是一项内容丰富的工作。首先，由于地下管线和管沟埋藏于地下，特别是一些年代久远的地下管线和管沟，建设之初就没有相关设计图纸，进行安全评估所需要的几何尺寸、结构现状、基础形式等方面的信息十分匮乏，所以前期综合调查和检测将是安全评估中的重要内容。其次，在前期综合调查和检测的基础上，结合地质勘探资料，选取适当的计算参数，建立合理的计算模型，并考虑到地铁施工中管线或管沟周围地层的典型变形特征，计算分析确定管线或管沟当前抵抗变形的能力，确定管线或管沟的变形控制标准。最后，综合调查检测结果和计算分析结果，提出管线或管沟安全控制措施[1]。本文拟结合北京地铁大兴线黄村火车站邻近雨水方沟受邻近车站基坑施工影响的安全评估工作，详细介绍安全评估的工作流程。

1 工程概况

北京地铁大兴线黄村火车站采用明挖法施工，黄村火车站车站主体基坑深度h约为16.2 m，围护结构采用桩+钢内撑体系。本雨水方沟位于车站东侧，管沟需要评估部分走向大致与车站基坑方向平行，距离车站最近处在车站北端扩大处，距离车站结构外廓仅为2 m，延续长度约为12.4 m，雨水方沟沟内底距地面约1.75 m。根据《北京地铁大兴线02标段黄村火车站岩土工程勘察报告(详细勘察)》可知，本车站场地地层由上而下主要为填土层、粉细砂、粉质黏土和粉土等。计算中采用的地层分布情况详见图1所示。工程勘察揭露深度范围内的地下水主要为层间潜水，水位高程位于基坑坑底以下。

图1 地层分布情况

2 管沟调查检测

为了解此雨水方沟的修建及维护情况，走访了大兴市政园林中心市政养护科，查阅了管沟所在道路的相关建筑施工图纸，咨询了参与此管沟建设的相关人员。据了解，此雨水方沟建成于1984年，限于当时建设情况，并没有专门的关于此管沟的建筑施工图纸。此雨水方沟系开槽明挖回填，底板为素混凝土，两侧为砖砌墙，顶板为混凝土盖板。从揭露的邻近方沟来看，管沟基本处于满水状态。沟内水面距沟顶300 mm，沟壁为砖砌体，表观一般。本次对方沟盖板进行了检测，单件混凝土推定强度为C20;方沟盖板为单层钢筋网，钢筋纵向主筋φ12 mm@100 mm，横向分面筋 φ6 mm@100 mm。表观质量正常。

依据调查检测结果，绘制雨水方沟断面如图2所示，底板为250 mm厚的混凝土板，顶板为200 mm厚的混凝土盖板，盖板相接间隙用M10水泥砂浆灌严抹平。边墙为砖砌，壁厚为240 mm。

图2 雨污水方沟断面(单位:mm)

3 荷载计算

计算中永久荷载考虑了方沟自重(重度为25 kN/m3)、管沟内水压力、管顶竖向土压力和管沟侧向土压力。可变荷载考虑了人群荷载，人群荷载标准值取4.0 kN/m2，其准永久值系数取0.3。由于基坑附近区域围挡，活荷载不考虑堆载和车辆荷载。永久荷载考虑1.2的分项系数，可变荷载考虑1.4的分项系数。模型中采用的荷载计算值见图3所示。

计算模型中利用土体弹簧支座位移模拟管沟底部或侧向土体位移。考虑到管沟与车站基坑平行，计算中假定车站基坑施工引起管沟下部土体的最大沉降为4 mm，车站基坑施工引起的管沟侧墙外侧土体的最大水平位移为4 mm。

图3 结构荷载计算值(单位:kN/m2)

4 力学模型和参数

综合考虑管沟变形和地层变形特点，基于MIDAS/CIVIL 6.71软件，建立以下三维板单元模型。模型中管沟底部与侧面均布置弹性连接，当弹性连接受拉时，连接处退出工作。管沟受上部荷载和下部(或侧向)施加地层位移作用发生变形。因两侧侧墙为砖砌结构，为结构最薄弱部分，在进行强度验算时，仅验算方沟侧墙内力。根据《砌体结构设计规范》(GB50003—2001)[2]有关规定，砖砌侧墙的弯曲抗拉强度设计值为0.33 MPa。考虑管沟目前腐蚀较为严重，本次评估将侧墙的弯曲抗拉强度允许值折减为0.25 MPa。模型计算长度依据基坑开挖对前方土体的影响范围确定。

1)模型计算长度

基坑开挖范围内土体平均内摩擦角 φ为22.8°，基坑开挖前方影响范围l为

计算范围近似取5倍的影响范围，模型计算长度确定为54 m。

2)计算模型

采用荷载结构法建立计算模型，模型侧面与底部均施加弹性连接，如图4所示。模型作用的荷载如图3所示。模型共划分了864个单元，计1 075个节点。在管沟一端基坑开挖约两倍影响范围(22 m)的长度内施加底板下部土体弹簧支座位移，模拟管体底部土体变形情况，如图5所示。管沟模型在荷载与支座位移的作用下发生变形，产生附加内力。

3)计算参数

方沟顶板与底板均为C20混凝土板，其中顶板为钢筋混凝土板。边墙为砖砌，采用MU10砖，M10水泥砂浆。材料力学参数如表1所示。

图4 管沟模型荷载

图5 管沟施加支座位移的范围

表1 材料力学参数

管沟持力层位于粉细砂②2和粉质黏土②1层，垂直基床系数取为20 MPa/m，水平基床系数取为25 MPa/m。

5 计算结果与分析

1)土体弹簧支座竖向位移

首先计算了管沟初始平衡状态(天然状态)下的变形情况，初始平衡状态下管沟竖向沉降2.93 mm。接下来，利用弹簧支座位移模拟管沟底部土体位移，分别计算了管沟底部土体位移2、3和4 mm情况下的管沟变形和内力情况，见表2所示。计算表明各种情况下管沟变形变化最剧烈的部分发生在约 1倍 l，即10.8 m的长度范围内。

表2 弹簧支座竖向位移情况下管沟变形和内力

由表2可以看出，当车站基坑开挖引起的管底处的地层竖向变形为3 mm时，管沟实际最大竖向位移3.07 mm，管沟侧墙最大主拉应力0.24 MPa，而管沟砖砌侧墙考虑腐蚀后的弯曲抗拉强度允许值为0.25 MPa。因此，应控制管沟每10 m范围内的差异沉降不大于3 mm。

2)土体弹簧支座水平位移

利用侧向弹簧支座位移模拟管沟侧向土体位移，分别计算了管沟侧向土体位移2、3和4 mm情况下的管沟变形和内力情况，见表3所示。计算表明，管沟变形变化最剧烈的部分发生在约1倍l，即10.8 m的长度范围内。

表3 弹簧支座水平位移情况下管沟变形和内力

由表3可以看出，当车站基坑开挖引起的管沟边墙外侧的地层水平移动为2 mm时，管沟的最大水平侧向位移为3.41 mm，管沟侧墙的最大主拉应力达到0.20 MPa，而管沟砖砌侧墙考虑腐蚀后的弯曲抗拉强度允许值为0.25 MPa，当地层水平位移3 mm时，侧墙的最大主拉应力为0.27 MPa，大于管沟侧墙弯曲抗拉强度允许值。因此，应控制管沟每10 m范围内的最大水平位移之差<3 mm。

3)土体弹簧支座竖向与水平位移同时存在

当管沟同时存在水平位移和侧向位移时，计算模型中考虑了3种情况:① 侧墙水平支座位移2 mm、底板竖向支座位移1 mm;② 侧墙水平支座位移1 mm、底板竖向支座位移2 mm;③ 侧墙水平支座位移2 mm、底板竖向支座位移2 mm。各种情况下的计算结果见表4所示。计算表明，管沟变形变化最剧烈的部分发生在约1倍l，即10.8 m的长度范围内。

表4 弹簧支座水平与竖向同时位移时计算结果

由表4可以看出，当土体弹簧水平支座与竖向支座同时发生位移时，每10 m范围内管沟侧墙主拉应力控制的管沟位移允许值为:①竖向最大位移1 mm和水平最大位移3 mm;②竖向最大位移2 mm和水平最大位移2 mm。

6 结论和建议

1)通过调查、检测和计算分析，并考虑到管沟现状情况，确定管沟变形控制标准如下:

①管沟仅有垂向位移时，管沟10 m范围内的最大差异沉降应<3 mm。

②管沟仅有水平位移时，管沟10 m范围内最大水平位移之差应<2 mm。

③管沟同时有水平位移和垂向位移时:管沟10 m范围内的最大差异沉降应<1 mm且管沟10 m范围内最大水平位移之差<3 mm;或者管沟10 m范围内的最大差异沉降应<2 mm且管沟10 m范围内最大水平位移之差<2 mm。

2)以上计算表明，现状管沟承载能力很低，稍加扰动就很可能产生裂缝。考虑到当前基坑工程施工技术水平，如果严格按上述变形控制标准执行，既不合理，也不经济，建议在保证管沟使用功能的前提下，采用先通过后修复的做法。

3)在车站基坑施工过程中应尽量保证管沟处于无水状态。为达到这一目的，可考虑采用内衬法，即在管沟内部铺设柔性防水卷材，接头全留在管线上方，纵向接头采用与隧道防水相似的施工工艺，将防水卷材直接钉于管沟侧壁上。管沟防水处理也可以采用衬管的方法[3]。衬管法是在既有管道中内衬一塑料管道的方法，特别适用于雨污水管道的处理。

[1] 段绍和，方勇，钟山，等.盾构掘进对邻近拱桥结构受力影响的数值分析［J］.铁道建筑，2009(2):21-24.

[2] 中华人民共和国建设部.GB50003—2001砌体结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2001.

[3] MOSER A P.地下管设计［M］.北京:机械工业出版社，2003.