基于CAESARⅡ的地铁车站明挖法施工对邻近架空蒸汽管道的影响分析

黄星智，傅青锋，佟 杨，肖炜刚

（中国联合工程有限公司，浙江 杭州 310051）

近年来，为了满足人们日益增长的市内交通出行需求，加快建成城市1 h生活圈，中国正在蓬勃推进城市轨道交通的建设［1-2］。在地铁轨道交通施工阶段，不可避免会对周围土体产生扰动，进而对邻近已有环境（管线、建（构）筑物等）产生不同程度的影响［3-8］，其中对邻近重大管线的影响成为各方关注的一个重点。

国内外专家学者针对地铁施工对邻近管线的影响开展了许多研究，研究方法以试验监测、数值模拟以及两者相结合为主，发现基坑施工时周边地表的变化以沉降为主，进而影响地表下或上的管线和构筑物。王霆等［5］综述了国内外地铁隧道施工对地下管线影响的已有研究成果，指出开挖引起的周围地层差异沉降是导致管线功能丧失的主要原因。邹淼等［8］通过监测地铁车站深基坑开挖时邻近地下管线的沉降，得出管线沉降随时间的变化规律，在基坑开挖及底板施工阶段，管线沉降速率较大，需引起重视。刘军等［9］研究了在补救措施控制下地铁下穿热力管网时的沉降，并模拟主动控制后热力管网的变形和受力，提出将实际监测值与评估数据对比，采用细化风险控制，能够有效控制施工风险。曹伍富等［10］系统分析了轨道交通工程邻近地表位移、管线自身位移等地下管线控制指标的相关研究成果，总结出了地下管线位移控制指标，据其统计，北京地区管线平均沉降在-15 mm左右，最大沉降可达到-60 mm左右，建议沉降控制值为-25 mm。

通常，管线按敷设方式分为地下直埋管线和地上架空管线两类。目前多数学者研究了地铁施工对地下管线的影响，部分学者研究了施工对高温高压埋地热力管线的影响，然而关于施工对地上管线的影响，特别是对地上架空高温高压蒸汽管道的影响的研究，鲜有报道。本文以杭州地铁三号线某站深基坑施工为背景，考虑地层不均匀分布等特性，考虑管线支墩与土体的相互作用，采用CAESARⅡ压力管道分析程序，计算分析在基坑施工引起的周边地表沉降影响下，邻近架空蒸汽管道的受力和变形，对计算结果进行安全性评估，并针对施工条件提出保障性建议措施。

1 工程概况

杭州地铁三号线某站为地下三层岛式，车站主体基坑净长157 m，标准段净宽22.5 m。该站覆土厚度3 m，主体结构为两柱三跨箱形框架结构。底板埋深约24.7 m，基底位于（22）a2强风化凝灰岩、（22）a3中风化凝灰岩层中，潜水水位在地面以下0.5 m左右。主体围护采用地下连续墙，结构采用外包防水，车站侧墙采用复合墙形式，均采用明挖顺作法施工。

距离基坑标准段外围西侧5.7 m处平行布置有两根DN150长90 m和DN250长105 m的室外架空蒸汽管道，管道设计压力2.5 MPa，设计温度350℃，保温层厚90 mm左右，为通往汽轮机试车间的主干管，必须确保安全稳定运行，需高度重视地铁施工对其影响。车站基坑施工组织见图1，基坑与蒸汽管道空间相对位置见图1、图2。

图1 车站基坑施工组织剖面（单位：mm）

图2 车站基坑和蒸汽管道平面布置

根据《城市轨道交通设计规范（DG／TJ 08—109—2017）》［11］相关条文规定，本工程基坑变形控制保护等级为一级，即最大沉降量应小于等于0.1%H（H为基坑开挖深度，单位：m）。工程设计时，针对施工步骤，已进行过施工模拟计算，假设土质均匀无渗漏，得出基坑外围20 m内的地表沉降深度与施工进度的关系，见图3。由图3可知，基坑外围地表沉降呈抛物线形，随着施工进度的基坑加深，地表固定点处沉降深度线性增大，同时距离基坑外围10 m处的地表沉降深度最大。

图3 基坑外围地表沉降与施工进度的关系

2 管道系统应力分析

对于蒸汽管道系统，地表沉降伴随的支墩沉降会造成牵一发而动全身的影响，从而打破管道支撑的平衡性，并且在受影响区域的边界处很可能发生最大差异沉降，严重情况下可能造成管道撕裂破损和高温高压蒸汽喷射泄漏［12］，极易引发安全隐患。根据《工业金属管道设计规范（GB 50316—2000）》［13］规定，管道受地表沉降影响时各点应力应小于或等于其基本许用应力。

2.1 模型建立

采用CAESARⅡ压力管道分析程序进行管道系统应力分析，把受沉降影响的DN150和DN250蒸汽管道作为一个整体建立三维模型，将管道简化为弹性空壳梁单元，服从胡克定律，阀门等设备假设为单独的刚性元件，每个单元由“来节点”和“去节点”组成，并且有DX、DY、DZ三个位移自由度和RX、RY、RZ三个转角自由度，管内被连续介质充满。

根据蒸汽管道设计图纸，基于系统结构（管径和壁厚：φ159 mm×4.5 mm和φ273 mm×8 mm，走向）；管道材料：20G；保温层材料：岩棉，厚度90 mm；管道附件；管内介质、操作条件：过热蒸汽，设计压力2.5 MPa，设计温度350℃等，通过合理分配和设置节点，按实际尺寸将图纸转化为C2模型。

2.2 应力计算

根据现场安装情况，对管道设置附加滑动、导向、固定支架、弹簧吊架等约束条件，选择地铁施工控制范围内引起地表沉降对应的最不利工况进行计算，考虑地层不均匀分布特性，即管道所在地表发生不均匀沉降，附加好约束条件的基坑施工与蒸汽管道系统干涉段模型见图4。具体工况组合为：安装工况（SUS）L2＝W+P+FOR，操作工况（OPE）L1＝W+T+F，膨胀工况（EXP）L3＝L1-L2。

图4 基坑施工与蒸汽管道系统干涉段模型

由图3可知，基坑外地面5.7 m处最大模拟沉降为-27 mm，6.7 m处最大模拟沉降为-28 mm，考虑管道支墩与土体的相互作用，假设所有固定支墩沉降至既定深度，非固定支墩沉降在0～-28 mm区间。计算管道在重力等持续载荷与介质压力作用下的一次应力SUS，计算管道在环境温度与操作温度工况下的二次应力EXP，以ASME B31.3为校核规范。主要关注沉降引起的外部约束条件的变化对管道系统各点一、二次应力的影响。首先计算了地表未沉降时，即地铁基坑施工前管道的一、二次应力，然后计算了基坑开挖后，外围地表沉降深度逐渐增大过程中管道的一、二次应力变化。

2.3 结果分析

图5为地表发生不均匀沉降时沉降深度增大过程中的管道的计算一、二次应力与其许用应力之比关系图，从图5的计算结果可以看出，地铁基坑施工前，即管道所在地表未沉降时，管道的一、二次应力与其许用应力的百分比值分别为45%和92%，均小于100%，符合要求。当地表发生不均匀沉降，随着沉降深度的增加，管道的一次应力与其许用应力的百分比值基本呈线性增大，并且当沉降深度超过35 mm后，管道的一次应力与其最大许用应力百分比值大于100%，此时一次应力超标，附加外载荷过大，超过20G无缝钢管（GB5310）对应的最大许用应力，管道损坏的可能性加大，不符合要求；与此同时，管道的二次应力与其许用应力百分比值一直维持在92%左右，均小于100%，说明在本文研究的沉降深度范围内，温度这个因素基本不受沉降影响。

图5 地表沉降与管道一、二次应力关系图

3 结语

本文以杭州地铁三号线某站深基坑施工为背景，考虑地层不均匀分布特性，考虑管道支墩与土体的相互作用，采用CAESARⅡ压力管道分析程序，建立架空蒸汽管道系统三维模型，计算分析在基坑施工控制范围内引起的地表不均匀沉降影响下邻近架空蒸汽管道的受力和变形。主要得出以下结论和建议措施：

1）在本工程中，基坑外围地表沉降深度在0～35 mm范围内时，邻近架空蒸汽管道的一、二次应力小于其许用应力，并且一次应力随沉降加剧而线性增大，但仍处于安全范围，管道可正常运行。

2）地铁施工过程中需加强对邻近架空蒸汽管道的状态监测，在管道支墩、山墙等敏感部位布置监测点，按时采集监测点的竖直、水平、倾斜数据，支墩累计沉降值应小于35 mm，沉降速率应小于2 mm／d。

3）在基坑外围邻近蒸汽管道一侧，围护钢支撑应结合开挖施工机械局部进行调整，禁止重型车辆通过，禁止堆放物料，防止地表载荷过大。

4）建设、施工、监理、设计单位等各方应建立快速联络机制，设置应急预案，做到施工过程中信息及时共享。