西园路车站施工对地下管线影响与分析

程　扬，林　键，曹广勇

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)



西园路车站施工对地下管线影响与分析

程扬，林键，曹广勇

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230022)

摘要：由于城市地铁开挖不可避免的要通过地下管线，而地铁的施工又会对地下管线产生损害。所以在管线不受影响的前提下保证隧道的安全施工，必须对隧道施工时临近管线的沉降进行研究。本文以合肥地铁二号线西园路站隧道实际工程为背景，运用现场实测和数据分析的方法研究了隧道施工对下穿管线的变形影响。通过研究，发现了管线比较容易受到破坏的部分，并获得了反映监测区段管线实际变形统计规律的曲线方程，这将对今后类似的工程有重大的指导和借鉴作用。

关键词：车站基坑；地下管线；管线沉降；数据分析

0引言

随着我国国民经济的快速发展，城市地表可利用空间日渐减少，构建以城市轨道交通为骨架的公共交通体系作为城市交通的主要战略，目前大多数正在修建的明、暗挖或明暗挖结合的地铁区间及车站均需穿越大量地下管线。由于地铁隧道工程开挖会引起周围地面变形地层移动，从而对城市道路下埋设的各种管线的影响也就不可避免，严重时会影响地下管线的正常使用，甚至会造成灾难性后果[1]。为了使地铁隧道施工能够在保证管线正常使用的前提下开展，需要研究地铁隧道施工会对邻近的管线产生怎样的影响。本文对管线和地表沉降的影响选取具有代表性的管线，根据现场实测结果分析车站基坑施工对地下管线的影响规律。

1工程概况

合肥市地铁2号线的东西走向，从西边的长宁大道口到东边的大众路口。设计全长 27.764km,全线为地下线。共设车站 24 座，全部为地下车站，包括换乘站 6 座，分别与 1、2、3、4、5、6、7、8 号线换乘。西园路站位于长江西路下方，沿长江西路东西向布置。具体见图1。

图1　车站现状地理位置示意图

西园路站位于长江西路与西园路交叉路口，沿长江西路路中东西向布置。车站主体结构为地下两层12m岛式车站，线间距15m，车站总长468m。

本站标准段基坑宽度约20.9至22.7m，深度16至21m，端头井段基坑宽度约26.1m，深度19至22.3m，车站东西两端区间隧道均为盾构法施工。

2监测设计及测点布置

根据信息化设计和施工的要求，对基坑进行动态实时监测的主要目的是：

(1)根据设计对监测的要求，有效监测和记录工程施工的变形受力状况、工况，及时掌握工程的动态变化和趋势，确保施工及周边建筑物安全。

(2)及时反馈和报告现场监测数据，以便对设计方案进行及时的修改更正，优化设计方案，使其更加合理和经济。

(3)用现场的实际监测数据与理论计算的结果进行比较，经过分析研究，完善和改进理论计算方法，使得理论计算对以后的工程有更好的指导作用[2]。

监测布点如图2

图2　监测布点图

地表沉降变形监测控制网(点)与地下管线沉降共用，将地下管线沉降监测点纳入其中。这样所有的监测点会形成一个闭合的环网。本工程测点按监测设计图纸布点位置在受施工影响的管线上设置，重点布设在燃气管线上，布点图如图3所示。布置方法为：

(1)原则上地下管线监测点重点布设在煤气管、给水管、污水管、大型雨水管及市政管线方沟上，测点布置时要考虑地下管线与洞室的相对位置关系[3]。

(2)测点宜布置在管线的接头处，沿管线每15米布设；

(3)按照设计图纸的需要，对于特殊的管线需要布置管线管顶测点，对于一般的管线应布置在管线上方对应地表。

管线沉降监测测点埋设时应注意管线的位置是否与图纸相符合，测点要能够准确的检测出管线变形，如果需要采用钻孔埋设方式测点在埋设前应查明在钻孔点周围的管线情况，确保埋设安全。在没有检修井的管道沉降监测点埋设时，埋设间接测点的孔径必须大于150mm。

图3　西园路天然气管线监测布点图

3管线沉降分析

天然气管线的危险程度比雨水管线和污水管线要高，并且雨水管线和污水管线由于材质和结构的原因属于柔性管线，其对于变形的要求对于天然气管线这一类的刚性管线小，因此本文重点关注天然气管线[4]。

为了发现每个监测点随着时间变化的更为深层次的规律，根据施工的具体工况，特将监测数据分为三个阶段处理，即：2013年11月10号至2014年1月13号、2014年1月16号至2014年3月27号、2014年4月1号至2014年4月15号。

图4　2013年11月10号至2014年1月13号各测点沉降变化图

图5　2014年1月16号至2014年3月27号各测点沉降变化图

图6　2014年4月1号至2014年4月15号各测点沉降变化图

从图4，图5以及图6中我们可以知道：管线的竖向位移随着基坑开挖的进行逐渐增大，但是各个阶段的趋势都有所不同。

在图4中可以看出：

(1)在施工刚开始的时候，管线的位移在初期没有发生变化，但是随着时间的推移竖向位移值在逐渐的增加，这是由于随着基坑施工的不断的进行扰动对管线逐渐造成了影响。

(2)其中还出现了短时间的回弹，造成沉降变化图中曲线的交叉，这说明了在施工的初期对于管线的扰动导致管线的竖向位移不是一直在沉降，而是会发生短时间的隆起现象，这是因为第一期开挖对于管线的沉降影响较小，由于第一道支撑的架设和土体短时间的回弹效应都会对管线产生向上的位移。

(3)这也反映了初期支护不仅仅对于减少土体的变形好处，而且反映了其对于减少管线沉降有着较为积极的作用。但是随着开挖的进行，这样的作用在施工扰动作用下表现会越来越不明显，管线沉降图中的交叉现象逐渐的消失，这也从侧面反映了管线沉降将要增大的趋势[5]。

在图5中可以看出：伴随着管线沉降图中交叉的消逝，沉降值逐步的增大，而且是稳步增长。从3月24号开始沉降值的增幅有所加大，此时以后应该关注管线沉降的变化，防止危险的发生。

在图6中可以看出：管线沉降逐渐形成勺子形的凹槽状；监测点RQ04和RQ05的沉降变化较大，而且集中体现在4月12号到4月15号这三天。

为了更好的研究各个监测点随着时间变化的规律，另将监测数据按照单点累计沉降随着时间的变化绘制成图7，如下所示：

图7　每个监测点随着时间的位移累计变化图

从图7可以看出：

(1)监测点RQ01至RQ03的累计沉降差距较小，而RQ04较大，对比监测布点图发现原因是：前三个点处于二期工程中，并和RQ04的距离较远，由于监测时间段只进行了一期工程的开挖，所以前面三个点处于的位置土体扰动较小；

(2)监测点RQ01至RQ10的沉降值是逐渐增大的变化，成明显的下沉趋势，但是RQ11和RQ12较RQ10发生了沉降量的减小，根据监测图和相关理论分析发现其原因是：由于管线较长，较远端的管线是处于开挖扰动影响较小的位置，因此管线在这一区间的变形相当于两端有固定约束，因此可以推测管线在整体上是呈现沉降槽形式的变形，而在我们监测的局部呈现出了勺子形沉降形式。同时，这也反应了管线在管土作用情况下保持着其一体性。

(3)管线最大的沉降发生在RQ10处，沉降值为40.03mm，对于刚性的天然气管线来说沉降值比较大，因此在施工过程中要重点关注，防止其破坏带来的经济财产损失。

根据上述的综合分析发现：在第三阶段管线的位移变化有小的突变，而且在上述图中看不出收敛的规律，因此将各个监测点在最后一个阶段的随着时间的位移累计变化单独绘制成图8分析其规律。

图8　各个监测点在最后一个阶段的随着时间的位移累计变化图

从该图8可以看出：除了RQ04和RQ05折线的斜率有所增加，表现处不收敛状态以外，其余各点的斜率均无明显增加，表现出较好的收敛状态，说明在基坑施工过程中，管线的垂直沉降变化较为稳定，从侧面也反映出基坑并没有任何失稳的现象。

4管线真实位移探究

基坑开挖对于周围土体的影响是三维的，因此产生的管线变形一定不是单一的竖直方向上的弯曲变形，其各个点的位移也一定不只有竖直方向的沉降[6]。通过对于管线对应区域的桩体水平位移变化和土体沉降变化分析发现，桩体水平位移同土体的沉降的变化规律类似，具有很大的正向相关性。同时根据管线位移产生的机理，可以分析出管线的沉降和桩体水平位移也有这样的关系。因此，管线的位移和土体的位移应该同桩体位移类似，不仅仅只用沉降，而且应该有水平方向的位移[4]。即实际的变形状态应该如图9所表示：

图9　管线位移示意图

图9中的AB线是管线初始的位置，曲线1为管线的水平位移，3为管线的垂直方位移，2为管线真实的变形曲线。即水平方向和竖直方向的位移矢量和为管线的真实位移状态。

图10　桩顶的水平位移与位置坐标关系图

由上述分析可知:

我们监测的管线沉降其实只是管线真实位移在竖直平面的投影值。既然想了解管线的真实位移情况，现在只需要管线的水平位移，但是并没有对此进行过监测。

根据上述对于管线的变形机理和桩体的变形机理分析发现，两个有个共同的作用介质——土体，根据这一纽带关系和其沉降之间的相关性，我们可以用管线对应位置的桩顶水平位移作为管线的水平位移。

根据桩体的沉降和水平位移对比发现，沉降值远大于其水平位移，管线的沉降也远大于桩体水平位移。(见图10)

图11　管线的真实变形曲线

图12　管线实际变形曲线拟合图

因此本文中利用桩顶的水平位移和管线沉降叠加求得管线实际位移曲线见图11，并拟合该数据，通过不断的调试，发现管线真实变形曲线更大程度上可以用三次多项式进行拟合(如图12)，得到管线实际变形方程为：

y=1.69307×10-5x3-0.00378x2-

0.02684x-7.04816(R=0.986)

(1)

其中，自变量是管线监测点的横向位置坐标，以监测的第一个点RQ01为零点，按照监测点编号递增，取值区间是：x[0,180]；因变量是管线实际变形值。由于在拟合过程中沉降的单位是mm，而监测点的位置坐标的单位是m，因此若是用拟合出来的方程计算出的沉降或者对于沉降点位置坐标的单位应要与之对应。

5结论

本文以合肥地铁二号线西园路站隧道实际工程为背景，运用现场实测和数据分析的方法研究了隧道施工对下穿管线的变形影响，通过研究我们得出以下结论：

(1)通过各测点随时间变化沉降图发现：管线沉降随着开挖的进行逐步显现出规律，在监测点RQ01和RQ02处变形量较小，RQ10处变形量最大，说明RQ10段是最为危险的部分这一段；这样勺子形的凹槽状会使得在监测点RQ09到RQ11这一段的管线承受的弯矩较大，是比较容易受到破坏的部分。

(2)管线最大的沉降发生在RQ10处，沉降值为40.03mm，对于刚性的天然气管线来说沉降值比较大，因此在施工过程中要重点关注，防止其破坏带来的经济财产损失。

(3)斜率均无明显增加，表现出较好的收敛状态，说明在基坑施工过程中，管线的垂直沉降变化较为稳定，从侧面也反映出基坑并没有任何失稳的现象。

(4)真实位移拟合公式(1) 拟合曲线反映了监测区段管线实际变形的统计规律。由于同一条管线变形和受力的一致性，在同一条管线上，可以放宽自变量取值区间，根据拟合公式计算出对应点管线的实际变形取值，该取值具有一定的参考意义[7]。

(5)由于基坑开挖对地下管线的影响是一个与工程实际相联系的应用型课题，其涉及到土体的强度、变形和稳定性，也涉及到了土体与构成管线的管道结构之间的作用，最重要的是这类课题还有很强的工程个案性特征。由于问题的复杂性，还有一些问题需要进行一步研究和完善。

参考文献

1曹炳坤.世界地铁发展令人瞩目[J]. 城市公共交通, 2003,(5):33-34.

2孙宇坤,吴为义,张土乔.软土地区盾构隧道穿越地下管线引起的管线沉降分析[J].中国铁道科学,2009,30(1):80-85.

3范德伟,李大勇,张学臣.地铁隧道开挖引起邻近地下管线竖向位移及内力分析[J].工业建筑,2009,39(9)：85-89.

4毕继红,刘伟,江志峰.隧道开挖对地下管线的影响分析[J].岩土力学,2006,27(8):1317-1321.

5张陈蓉,俞剑,黄茂松.基坑开挖对邻近地下管线影响的变形控制标准[J].岩土力学,2012,33(7):2027-2034.

6王霆.地铁浅埋暗挖法施工对临近管线的影响与控制[D].北京：北京交通大学,2008.

7王雨.地铁隧道施工对地下管线变形的影响研究[D]:北京：北京交通大学,2014.

Analyis of the Effect of Xiyuan Road Station Construction on Pipelines

CHENG Yang, LIN Jian， CAO Guangyong

(Civil engineering school, Anhui Jianzhu University, Hefei, 230022, China)

Abstract:As far as the serious damage to underground pipelines in subway construction has been concerned, which is inevitable because the urban subways are always excavated through the underground pipelines, a study on the nearby pipelines' subsidence in tunnel construction is essential for the sake of safe construction without any affection to the pipelines. Based on the practical construction of the tunnel in Xiyuan Road Station in Line 2 of Hefei Metro, this essay has made a study on the wear pipelines deformation under the damage of the tunnel construction by the means of actual measurement and data analysis. In this study, not only the easily damaged parts of pipelines have been found, but also a curvilinear equation which reflects the actual deformation of monitored sections of the pipelines has been obtained, and both will be of significant guidance and reference to the similar projects in the future.

Key words:station foundation pit; underline pipelines; pipe settlement; numerical simulation

中图分类号：TN911.8

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2016)01-020-05

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20160105

作者简介：程扬(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为地下工程，结构工程。

收稿日期：2015-06-16