地鐵深基坑下穿既有管線施工監(jiān)測及沉降分析

何進江

（中鐵隧道集團二處有限公司，江蘇 南京 210017）

近年來大量的目光集中在對地下空間的開發(fā)與利用上，通道下穿既有管線也大量涌現(xiàn)。由于通道下穿既有管線開挖會擾動周圍土體，影響既有結(jié)構(gòu)、鄰近建筑物的穩(wěn)定性，基于現(xiàn)代理論力學，可對現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬2 種方法做數(shù)據(jù)結(jié)合分析，研究通道下穿管線開挖時的位移規(guī)律，以達到準確預(yù)測開挖過程中產(chǎn)生的變形，從而提高通道開挖過程中的安全性。

ⅤERRUIJT 等[1]通過鏡像法得到了不排水條件下的地表變形三維計算公式。魏綱等[2]、齊靜靜等[3]、王濤等[4]基于鏡像法對土體損失造引起的沉降進行了計算。李倩倩等[5]通過監(jiān)測北京下穿既有地鐵4 號線盾構(gòu)通道工程的施工現(xiàn)場，得出既有盾構(gòu)通道結(jié)構(gòu)的變形表現(xiàn)為柔性，既有通道結(jié)構(gòu)及地層注漿加固使地表沉降顯著減小的同時沉降槽寬度也隨之增大。

本文以商都路站通道下穿既有Φ2 600 mm 污水管線施工為工程背景，利用ABAQUS 軟件模擬整個通道開挖施工過程，分析通道開挖對地下管線頂部的豎向位移規(guī)律，并對開挖施工全過程進行現(xiàn)場監(jiān)測，就實際監(jiān)測結(jié)果和模擬結(jié)果對比分析，提出部分優(yōu)化建議。

1 工程概況及工程特點

1.1 工程位置及平面布置

4 號線商都路站位于中州大道與商都路交叉口，沿中州大道西側(cè)布設(shè)。站臺層下穿2.6 m 污水管段為暗挖矩形結(jié)構(gòu)，暗挖通道斷面形狀為矩形斷面，暗挖通道寬6.3 m、高7.15 m，雙線凈間距為11.3 m。商都路站暗挖平面位置示意圖如圖1 所示。

圖1 商都路站暗挖平面位置示意圖

1.2 工程特點

商都路站站臺層暗挖下穿既Φ2 600 mm 污水主干管線，該污水管修建年代久遠，目前已存在管線滲漏水的可能，為I 級風險源。在暗挖通道下穿施工過程中，對通道開挖引起的管線地基沉降和管線自身的沉降是引起既有管線沉降的主要原因。其中通道開挖導(dǎo)致的管線沉降遠大于管線自身的沉降，因此減小暗挖通道開挖導(dǎo)致的管線沉降迫在眉睫。

2 下穿既有污水管線施工過程數(shù)值分析

2.1 計算模型與邊界條件

本文采用ABAQUS 軟件進行計算和模擬。模擬長度取10 m。模型的X、Y、Z方向分別為通道開挖面水平方向、開挖方向、開挖面豎向方向。模型整體尺寸為80 m×10 m×33.5 m。模型中單元數(shù)量為30 002 個，單元節(jié)點為1 225 個。三維數(shù)值計算模型正視圖如圖2所示。

圖2 三維數(shù)值計算模型正視圖

2.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

通道開挖下穿既有管線的位移趨勢是主要監(jiān)測內(nèi)容之一，管線頂部軸向測線圖如圖3 所示。

圖3 管線頂部軸向測線示意圖

管線頂部軸向測線豎向位移模擬結(jié)果如圖4所示，管線頂部軸向測線豎向沉降曲線如圖5 所示。

圖4 兩條通道挖完管線頂部豎向位移云圖

圖5 管線頂部軸向測線豎向沉降曲線

根據(jù)圖4 和圖5 分析可知，暗挖通道按1#→2#的開挖順序施工，由于1#通道開挖后原有的平衡狀態(tài)被打破，致使地層應(yīng)力重新分布，越靠近通道中軸線處管線沉降速率越快，較遠處的管線則因距開挖土體遠，受波動影響小，無小幅度隆起，2#通道區(qū)域已做好超前加固且后續(xù)未開挖，致使沉降曲線的右側(cè)較左側(cè)要平緩，在x=30 處管線最大沉降量為6.42 mm，位于1#通道中軸線處；由于2#通道位于1#通道右側(cè)，則2#通道完成時根據(jù)沉降疊加原理，2#通道軸線附近管線最大沉降為6.43 mm；由于1#、2#通道結(jié)構(gòu)關(guān)于中線大致對稱，則兩條沉降曲線也關(guān)于中線大致對稱，且1#通道先開挖，最大沉降在中軸線處值達到了6.54 mm。

總結(jié)可得，1#和2#暗挖處上方管線最大沉降分別為6.54 mm 和6.43 mm，既有管線頂部沉降的最大值發(fā)生在1#通道中間位置處。

3 施工監(jiān)測方案及監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 通道監(jiān)測方案

根據(jù)設(shè)計要求及本段的實際情況，監(jiān)控量測項目選取管線沉降部分。地下管線沉降共布設(shè)13個監(jiān)測點，分布在DK21+875，布置間隔為管線上方，從左右線中線向兩邊3 m、5 m、5 m、8 m，左右線中線內(nèi)側(cè)測點間距分別為3 m、5.5 m。

將既有管線作為研究對象，沿管線軸向頂板布設(shè)監(jiān)測點。管線沉降觀測點標志埋設(shè)形式如圖6 所示，通道下穿及地表監(jiān)測點布置示意圖如圖7 所示。

圖6 管線沉降觀測點標志埋設(shè)圖

圖7 通道下穿及地表洞內(nèi)監(jiān)測點布置圖示意圖

3.2 下穿既有管線工程的模擬與監(jiān)測結(jié)果對比

小間距下穿既有結(jié)構(gòu)受地層開挖擾動更為敏感，因此如何監(jiān)測和保護既有結(jié)構(gòu)為重中之重。本文選取13 個管線觀測點，按1#→2#的開挖順序依次開挖，將通道1#、2#分別開挖完成時觀察的監(jiān)測值與圖4 中通過有限元軟件模擬得到的管線頂部豎向位移進行對比，其結(jié)果如圖8 所示，研究通道在開挖過程中管線沉降變化情況。

圖8 通道施工對綜合管線沉降對比分析圖

根據(jù)圖8 可得，監(jiān)測與模擬曲線兩種曲線的形態(tài)及走向大致相同，但現(xiàn)場監(jiān)測得出的管線豎向位移的走勢較有限元軟件模擬出的變化趨勢波動更加明顯，印證了實際施工狀態(tài)下情況比較復(fù)雜，管線豎向的變化趨勢無法按照理想狀態(tài)下溫和地變化這一觀點。研究可得，地表最大豎向位移在1#通道挖完時，距兩條通道中心線左側(cè)10 m 處，其模擬值為-6.42 mm，距兩條通道中線左側(cè)8.8 m 處，其監(jiān)測值為-7.62 mm；地表最大豎向位移在2#通道挖完時，距兩條通道中線右側(cè)10 m 處，其模擬值為-6.54 mm，距兩條通道中線右側(cè)8.8 m 處，其監(jiān)測值為-7.72 mm。

地表最大豎向位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)相較于模擬數(shù)據(jù)來說都略大一些，雖位置不總在同一點，但相差無幾，不超過1.5 mm；在1#通道挖完，距兩條通道中線左側(cè)8.8 m 位置處產(chǎn)生最大差距為1.20 mm。雖然模擬數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)有所不同，但整體而言，地表豎向位移的變化趨勢大致相同。

在通道開挖的實際施工過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)會受到地下水、天氣、人工、機械等多種因素的影響，造成最終監(jiān)測值的不精確，而模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果在總體變化趨勢上大致相同。這也證明，使用ABAQUS軟件可以將眾多變量的影響單一化，模擬結(jié)果對施工的預(yù)演和安全監(jiān)測方案的設(shè)計具有參考價值，方便指導(dǎo)施工。

3.3 監(jiān)測方案優(yōu)化

根據(jù)ABAQUS 軟件模擬的管線軸向豎向位移模擬分析施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，針對實際監(jiān)測方案提出以下優(yōu)化建議：①針對管線實際沉降監(jiān)測時，應(yīng)該在兩條通道軸線處適量加密監(jiān)測點，同時通道結(jié)構(gòu)的沉降模擬也可只針對管線正下方的中測線進行橫向的分析。因此可在實際開挖施工時，適量加密管線正下方處的通道支護的鋼格柵網(wǎng)布置。②在進行沉降觀測工作時，為了取得精準的實際監(jiān)測值，應(yīng)避免在高溫、高折射環(huán)境下進行監(jiān)測，同時不要選擇在施工進行時進行測量，以避免施工過程中產(chǎn)生的各種荷載，減小誤差[6]。③隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，水準測量、GPS測量、In SAR 監(jiān)測、地下水動態(tài)監(jiān)測等被越來越多地應(yīng)用于工程施工安全監(jiān)測過程中，可研究多種監(jiān)測手段相結(jié)合的地面沉降監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提高監(jiān)測精度和效率，降低成本[7-8]。

4 結(jié)論

模擬分析了通道開挖管線頂部豎向位移規(guī)律，得出了管線頂部豎向位移曲線呈“W”形分布，管線的豎向位移最大出現(xiàn)在兩條通道中軸線上方位置附近，最大值為6.54 mm，在沉降控制范圍內(nèi)。

基于管線軸向監(jiān)測結(jié)果，提出了應(yīng)適當加密監(jiān)測點的布置及通道支護鋼格柵網(wǎng)的布置，同時應(yīng)結(jié)合現(xiàn)代監(jiān)測手段建立監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化建議。

本文對重點管線的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理，得出了既有管線豎向位移變化規(guī)律；對管線位移的實測值與模擬值對比，判斷出監(jiān)測值大體上略大于模擬值，但兩者總體走向是一致的，說明該數(shù)值模擬對通道開挖施工有一定的指導(dǎo)作用。