地铁深基坑施工扰动下邻近管线影响区域划分及迁改保护措施

居尚威，李雄威

(1.江苏城乡建设职业学院,江苏 常州 213147； 2.常州工程职业技术学院，江苏 常州 213164)

随着中国城市化进程的不断发展，城镇人口不断增加，轨道交通成为缓解城市交通压力最为有效的方式，同时为了提高城市立体空间的利用效率，缓解城市用地的压力，地铁车站的建设朝着大而深的方向发展。

地铁深基坑的开挖不可避免地会对周围环境产生扰动，由于地铁车站多建于城市繁华地段，施工区域周边管线繁杂，基坑的开挖容易引起邻近管线的泄漏、破裂、断裂等情况，因此地铁深基坑开挖前需要完成管线的综合迁改。目前国内对管线的综合迁改手段比较单一，基坑周边迁改区域的划分比较模糊，由于不同类型管线的迁改原则各不相同，因此，如何划分地铁深基坑开挖扰动下管线的影响区域及采取不同类型管线的迁改保护措施成为地铁工程中迫切需要解决的问题。

目前国内外研究深基坑开挖对邻近管线影响的方式主要有室内试验、理论解析和有限元数值计算等手段。受试验条件和经费的限制，室内试验的研究成果较少，国内外学者多采用理论解析和数值计算的方式来研究基坑开挖过程中基坑、土体和管线的相互作用。在基坑开挖引起周围土体变形的分析中，运用较为广泛的是地层损失法[1]。徐方京等[2]针对围护结构加内支撑的基坑支护形式，提出土体沉降曲线为Raleigh分布函数。张陈蓉等[3]基于位移控制理论，对板式支护体系因基坑开挖而引起的周围自由土体位移场分布规律进行了探讨。管线的变形是管土相互作用的结果，管线的变形曲线与管线所处土层的变形、管土刚度比等密不可分。夏明耀[4]就开挖深度绘制了基坑开挖对地下管线影响的定性分布曲线。杨成永等[5]以管土刚度比为因变量来研究管土共同变形的规律。程霖等[6]依据弹性地基梁理论，考虑管线变形的几何非线性，研究管线变形的内力变化。

由于解析分析中需要作较多的假设和简化，其计算结果与实际情况仍有一定的偏差，基于此，数值模拟计算成为分析基坑开挖实际工况、预测变形的有效手段。在基坑开挖的数值模拟中，土体本构模型的选取尤为重要，大量的工程实践表明[7-9]，在基坑开挖施工过程中，除了少部分土层会发生塑性变形外，绝大部分区域处于小应变应力状态。高义[10]采用理论计算与数值计算相结合的方式研究了基坑开挖对管线的影响及评价保护措施。施有志等[11]以厦门地铁一号线某深基坑的实测资料为基础，采用考虑土体小应变刚度特性的有限元方法，就基坑施工对邻近管线影响规律进行参数分析，研究验证了HSS土体硬化小应变本构模型的适用性。

本文以常州地铁2号线青枫公园站和南大街站基坑开挖实际工况为工程背景，考虑土体小应变本构模型、管土界面的折减系数等建立数值计算模型，结合监测数据与计算数据的对比，验证模型的适用性。以此为基础，再结合理论解析计算，研究常州城区及类似地质条件下，地铁深基坑开挖扰动下邻近管线的影响区域划分及不同种类管线的迁改保护原则。

1 工程概况

1.1 基坑基本概况

常州地铁2号线青枫公园站为地下两层车站，标准段基坑挖深约16.6 ～17.5 m，车站标准段在36轴之前的部分地连墙长度在30～32 m，地连墙不隔断承压水层，36轴之后的标准断面地连墙长度41 m，隔断承压水层采用0.8 m厚深地连墙作为围护结构，标准段剖面图见图1(1-1剖面和2-2剖面分别对应30 m和41 m地下连续墙)。

图1 青枫公园站围护结构剖面图

南大街站为14 m岛式站台地下三层车站，车站主体围护结构采用1 000 mm地下连续墙，标准段地连墙长44 m，开挖深度24.8 m(图2)。

图2 南大街站围护结构剖面图

1.2 管线情况

青枫公园站两侧管线繁杂，道路两侧埋有路灯管线、砼污水管、铸铁给水管、煤气管等各类管线(表1)。

表1 青枫公园站管线统计

南大街站周边管线众多，主体基坑施工时，一倍基坑开挖范围内主要管线有铸铁给水管、砼污水管和雨水管等管线(表2)。

表2 南大街站管线统计

1.3 水文地质情况

常州地铁2号线青枫公园站为地下两层车站，标准段基坑开挖深度约17 m；南大街站为地下三层车站，标准段基坑开挖深度24.8 m，两站计算深度范围内涉及土层的基本物理参数见表3、表4，常州地区上层滞水埋深为2.00～3.50 m。

表3 青枫公园站土层基本参数

表4 南大街站站土层基本参数

2 基坑开挖数值模拟计算

2.1 土体本构模型及计算参数

地质钻孔资料表明，常州城区的土层基本均匀连续，同一车站内土层未出现断层或较大起伏现象，可按均匀连续的土层建立三维模型。土体模型除①填土采用摩尔-库伦模型，其余土层皆采用小应变本构模型，计算参数(表5)中，典型土层③2黏土、⑤1黏质粉土夹粉砂和⑤2粉砂通过室内试验获取小应变参数[12]，其余土层参数通过经验公式和参考手册获取。

表5 土体小应变参数

2.2 青枫公园站三位数值计算

计算模型及参数：

采用有限元软件PLAXIS 3D模拟计算常州地铁2号线青枫公园站41 m地连墙标准段部分的基坑开挖，基坑采用地连墙加内支撑支护，参数见表6，基坑北侧设置与基坑水平的5根管线，参数见表7，采用板单元模拟围护结构的抗水土压力和止水功能，管线和支撑采用梁单元模拟，结构与土体间采用界面单元并设置折减系数来模拟两者之间的相互作用。为充分考虑基坑开挖的影响范围，在x、y、z方向上分别取46.9、140、50 m的长度建立计算模型(图3)。

表6 围护支撑和管线材料基本参数

表7 管线基本参数

计算结果分析：

考虑到工程施工时会清除上层杂填土，潜水位设置在地下1 m位置，根据基坑开挖的实际工况设置计算步骤(表8)。

表8 施工工况计算步骤

各个工序施工完成后，基坑两侧产生了对称一致的竖向和横向变形(图4)，其中地连墙的最大侧向位移为25.91 mm，略大于23.03 mm的监测值，最大侧向位移出现在地下16 m左右的位置(图5)。地连墙侧移计算值与监测值基本吻合，说明了模型的适用性及参数选取较为合理。截取基坑2-2断面一侧的地表沉降值发现，计算出的地表最大沉降值为18.43 mm，略大于监测值12.73 mm，最大沉降位置位于距基坑11 m的位置(图6)。管线沉降数值计算结果总体来说略大于监测数据，随着距基坑距离的增大，管线的沉降趋于平缓(图7)。

图4 基坑变形网格图

图5 地下连续墙侧向位移计算值与实测值对比图

图6 地表沉降计算值与实测值对比图

图7 管线沉降计算值与实测值对比图

为研究基坑开挖扰动下管线变形规律以便对管线影响区域进行划分，在距基坑1、3、7、11、15、22、35、55 m的位置分别放置管线，并满足以下条件：①假设模型中管线的埋深、材质、管径保持一致;②假设计算模型中管线连续，无缺陷和损坏;③计算模型中管线皆与基坑保持平行状态。

计算结果中距基坑不同距离平行管线的最大沉降曲线呈现高斯分布曲线(图8)，管线的变形曲线基本与土层变化一致，管线最大沉降出现在距基坑11 m的位置，曲线的反弯点在距基坑35 m的位置。

图8 距基坑不同距离的管线最大沉降值

2.3 南大街站三位数值计算

南大街站基坑采用地连墙加内支撑支护，基本参数如表9所示。基坑北侧设置与基坑水平的6根管线，管线基本参数如表10所示。在x、y、z方向上分别取51.8、140、60 m的长度建立计算模型，如图9所示。

表9 围护支撑和管线材料基本参数

表10 管线基本参数

图9 PLAXIS 3D车站基坑计算模型图

计算结果分析：

潜水位设置在地下0.5 m位置，根据基坑开挖的实际工况设置计算步骤(表11)。

表11 施工工况计算步骤

各个工序施工完成后，地连墙的最大侧向位移为24.6 mm，略大于16.8 mm的监测值，最大侧向位移出现在地下26 m左右的位置(图10)，

图10 地下连续墙侧向位移计算值与实测值对比图

地表最大沉降值为19.39 mm，最大沉降位置位于距基坑18 m的位置，由于车站周围建筑物较多，基坑两侧地表的沉降监测点较少，不能完整地反映出基坑两侧地表的沉降情况，但从已有的监测数据与计算数据对比情况看，数值计算结果与监测数据基本一致(图11)。管线沉降数值计算结果略大于监测数据，变形趋势一致(图12)。距基坑不同距离平行管线的最大沉降曲线呈现高斯分布曲线(图13)，管线最大沉降出现在距基坑18 m的位置，曲线的反弯点距基坑35 m。

图11 地表沉降计算值与实测值对比图

图12 管线沉降计算值与实测值对比图

图13 距基坑不同距离的管线最大沉降值

3 影响区域划分及迁改保护措施

3.1 影响区域划分

根据文献[2]、文献[4]及文献[13]的研究成果，结合常州地区基坑开挖变形规律及工程经验，采用围护墙(桩)+内支撑的基坑支护形式，基坑外土体和管线沉降值呈抛物线且沉降值与围护结构侧移值存在一定比例关系。由于管线的沉降曲线与土层变形基本一致，管线影响区域的划分与土层深度关系密切(图14)。

图14 基坑分区准则

A区为基坑开挖的强影响区域，具体范围是基坑开挖深度H和H·tan (45°-φ/2)所围成的三角形区域；B区为基坑开挖的弱影响区，具体范围是基坑围护结构深度L和L·tan (45°-φ/2)所围成的三角形区域； C区为无影响区域；φ为计算范围内土层内摩擦角的加权平均值。

结合常州地铁1号线常州北站站基坑开挖实际工况[13]及本文中常州地铁2号线青枫公园站和南大街站的开挖工况，依据以上理论计算方法，计算管线影响划分区域(表12)，依据监测与数值计算数据，计算管线沉降曲线中最大沉降与反弯点(表13)。

表12 基坑影响区域划分表

表13 管线沉降曲线与距基坑距离管线表

理论计算中，A、B、C区在地表层面的分界点位置与数值计算得出的管线沉降曲线中管线最大沉降点和过了管线最大沉降点后的曲线反弯点的位置非常接近。本文研究的3个车站，基坑开挖深度与A、B区地表分界点距基坑距离的平均比值为1∶0.67，而理论计算的管线沉降曲线中基坑开挖深度与管线最大沉降点距基坑距离的平均比值为1∶0.72，与A、B分界点十分接近；基坑围护结构深度与B、C区地表分界点距基坑距离的平均比值为1∶0.65，而理论计算的管线沉降曲线中基坑围护深度与管线最大沉降点距基坑距离的平均比值为1∶0.73，略大于B、C分界点。

通过这些数据可以判定基坑开挖影响下管线沉降最大的位置大约为距基坑开挖深度0.7倍处，此处附近的管线需要采取相应的迁改保护措施；而在0.7倍的基坑围护结构以外，基坑开挖对管线的影响逐渐减小，可以降低管线的迁改要求，减少保护措施。

3.2 管线重要性分类及迁改保护建议

市政管线依据不同的条件有很多不同的分类方法，如按材质、规格、用途、刚柔性等。本文为了对不同具体类别的管线提出管线迁改建议，在参考了不同行业部门对不同类管线的安全控制要求后，依据管线的重要性将管线分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三类(表14)，结合管线影响区域的划分，提出以距基坑距离为参考因子的管线迁改保护措施建议(表15)。

表14 管线按重要性分类

表15 管线迁改保护建议表

4 结论

针对基坑工程的数值计算，土体小应变本构模型具有很好的适用性，计算结果与监测值基本一致，能够较为真实地反映出基坑开挖影响下周边地表、管线的变形情况。

在基坑开挖影响下，管线会随着周围土层产生变形，两者变形曲线趋势一致，管线的变形值略小于土层变形。基坑土方开挖中对管线影响最大位置为距基坑0.7倍的基坑开挖深度附近位置，而距基坑0.7倍的围护结构深度外的区域，基坑施工的影响逐渐减小。

常州城区地铁深基坑工程在进行管线的综合迁改中，可按照管线的重要程度，同时参考管线影响区域的划分来进行分类迁改保护，以达到缩短施工工期、降低迁改成本的目的。