地铁施工对管线的影响

摘 要：隧道支护结构-土体三维有限元分析模型计算与施工监控量测相结合,分析北京地铁4号线黄庄站施工对地下管线的影响,并根据有关管线安全性的评价标准分析和预测地下管线的安全性.采用等效方法模拟钢架、锚杆；采用能承受轴弯性能的空间等参壳单元模拟初期支护及临时结构；采用遵循有限变形理想弹塑性本构关系和Drucker-Prager屈服准则的空间等参实体单元,模拟二次衬砌和围岩.数值模拟计算结果表明,开挖完成后的最大地表沉降预测值为121.63mm,不超过127.27mm的管线安全性要求,管节差异沉降亦不超过控制标准.但由于黄庄站地层存在着比较多的空洞,且地层富水和管线下漏水,因此为保证管线的正常使用,仍须采取措施控制地表沉降.

关 键 词：地铁隧道；地表沉降；有限元分析；地下管线；数值模拟

目前,国内针对隧道施工引起管线受力和变形的三维分析研究还很少,文献[1]和文献[2]进行了深基坑工程开挖对地下混凝土管线进行保护方面的三维分析,文献[3]对埋设铸铁管道进行了理论方面的分析.为了确定邻近管线在地铁施工中是否需要采取保护措施及具体使用哪些措施,必须对已有地下管线产生的变形和受力状态进行预测,定量掌握受影响的程度.

1工程概况

北京地铁四号线黄庄站位于海淀区中关村大街与知春路、海淀南路的十字交叉路口处,是四号线和十号线的交叉换乘车站.车站位于中关村大街道路下,横跨知春路大街,起止里程为K20+383.863―K20+600.463,长度为216.6m.车站主体双层暗挖段采用上、下四导洞的洞桩（柱）法施工.施工导洞初期支护均为马蹄形暗挖结构,导洞开挖断面为10.820m×；6.072m.下导洞采用双侧壁导坑法开挖,上导洞采用CRD法施工.受施工影响较大的主要是与四号线平行的承插式铸铁上水管线（直径800mm,埋深1.5m）.

四号线主体暗挖地质土层以粉土、中粗砂、卵石为主,局部夹透镜体,上层滞水和存在的潜水为影响土体暗挖的主要因素.

2隧道施工监控量测分析

地表沉降监测断面间距10m,每个断面布设3个测点.监测断面DBCJ4-19沉降时态曲线.与对应的工况进行综合分析,沉降和导洞施工存在如下关系.

1）导洞一的1,3部和导洞二的2,4部单独施工时（5,6部未施工）,相当于每个独立的小导洞施工,l和3部（2和4部）之间相距较短,存在群洞效应,沉降速率大.2）对导洞一和导洞二来说,5和6部施工后加快了沉降的发展.3）对DBCJ4-19断面的3个测点来说,DB-CJ4-19-2位于四号线未施工的车站中拱上方,没有两侧导洞上方的测点DBCJ4-19-1和DBCJ4-19-3受单边导洞开挖的影响大,但是它同时受到左、右导洞施工的影响.导洞一（三）开挖至DBCJ4-19断面,而导洞二（四）未开挖到达该断面时,测点DBCJ4-19-2的沉降速率小于测点DBCJ4-19-3但大于测点DBCJ4-19-1的沉降速率；当导洞二（四）开挖到达该断面时,则测点DBCJ4-19-2的沉降速率小于测点DBCJ4-19-1但大于测点DBCJ4-19-3的沉降速率.在最终全部导洞都通过该断面后,2个测点的累计沉降值相差不大,且速率基本相同.4）在导洞（四）的右上部,DBCJ4-19断面附近存在着较大的富水区域,施工时由于失水导致测点DBCJ4-19-1的沉降值大于同断面的其他2个测点.

3数值模拟计算

建模时,采用等效方法模拟钢架、锚杆,初期支护及临时结构采用能承受轴弯性能的空间等参壳单元进行模拟,二次衬砌和围岩采用遵循有限变形理想弹塑性本构关系和Drucker-Prager屈服准则的空间等参实体单元进行模拟.计算模型为120m×；65m×；60m（宽高长）,80280个单元,90430个节点.计算参数及施工工艺参数的选取列于表1.采用FLAC-3D对四号线施工过程中监测断面DBCJ-4-19的地表沉降进行了数值模拟.四导洞开挖完成后地面沉降槽曲线,最大沉降值为94.1mm.根据表2计算结果与监测数据的对比,表明两者吻合得比较好.为施工完成后地表沉降槽变化曲线,其最大沉降值为121.63mm.

4管线分析

四号线黄庄站主体结构施工对环境的影响主要是在其结构上方有直径为800mm的承插式铸铁上水管线.该管线与四号线车站主体结构平行,埋深1.5m,管节长5m；管线距离结构边沿4.35m,距离结构中心9.29m；结构埋深15.138m.主体结构施工可能会对其产生破坏影响.因此需对其当前的状况及在后续施工过程中的安全性进行评估,并提出地表沉降最大控制标准及控制措施.

4.1管线沉降控制

1）参考施工单位提供的数据,管线两接头之间的倾斜不得超过2/1000,即通用的5m长的管线接头之间的沉降差不得超过10mm.2）参考北京地铁、重庆地铁施工总结的相关技术标准,地表最大斜率取2.·；m-1.

四导洞开挖完成后管线所处地层沿纵向各点的沉降计算值.由计算结果可知,两管节之间的差异沉降值约为5.3mm,满足差异沉降控制1）的要求,管线处于安全状态.

4.2管线接头转角控制

当管线接头的转动角度或接缝张开值小于允许值时,管道接头处于安全状态,否则将产生泄露或破坏,影响使用.根据文献[4]的试验数据,接缝允许变形的控制标准列于表3.

对于平行隧道掘进方向并偏离隧道中线一定距离的承插式上水铸铁管线,采用文献[4]的简化方法进行安全评估.考虑最不利的情况,由以下公式计算.计算得出的θx为0.1587°；,小于允许的转角1.5°；,表明管线是安全的.

4.3根据管线控制标准预测最大地表沉降控制值

通过上面的公式计算得到四号线地表最大的沉降控制值为127.27mm.另外,根据数值模拟计算,四号线施工完成后断面DBCJ4-19的地表最大沉降值为121.63mm.显然,根据管线的最不利条件得到的地表最大沉降控制值与数值模拟得到的最大地表沉降值相差很小,为安全起见,应采取措施,防止管线出现安全问题.

5结论

1）数值计算及现场监测结果表明,开挖完成后,管节差异沉降不超过控制标准,管线能够满足变形控制要求.2）最大地表沉降预测可以到达121.63mm,而从管线安全性来讲,它要求地表沉降不能超过127.27mm,两者相差很小.由于黄庄站地层存在着比较多的空洞,而且地层富水,管线下漏水.因此,为保证管线的正常使用,须采取措施控制地表沉降.