明挖法管线上穿施工对邻近地铁结构的变形影响分析

王漪璇

【摘    要】：为了研究地铁保护区内新建项目的可靠性及对既有地铁结构的影响程度，以天津市新建电力管线工程侧穿邻近既有地铁项目为例，通过有限元数值模拟，计算管线沟槽开挖及铺设回填过程对地铁竖向位移的影响，总结了地铁变形规律。

【关键词】：明挖；沟槽；管线；地铁；变形

【中图分类号】：TU753【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-34-04

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.008

Analysis of the Deformation Influence of Cut and Cover Method Construction

on the Adjacent Subway Structure

WANG Yixuan

（China Railway Shanghai DesignInstitute Group Corporation Limited，Tianjin 300073，China）

【Abstract】：In order to study the reliability of the new project in the subway protection area and its impact on the existing subway structure， the paper takes the side crossing of the new power pipeline project near the existing subway project in Tianjin as an example，calculates the influence of tube trench excavation and backfilling on vertical displacement of subway by finite element numerical simulation， summarizes subway deformation law.

【Key words】：cut and cover; trench; tube; subway; deformation

城市交通線网密集、设施复杂，在有限的城市空间内各类市政项目会交错布设，尤其管线布设时需要大量地下空间且遍布城市各处，往往会影响到既有地下结构如地铁车站、区间隧道等的安全稳定。规范 [1]定义了轨道交通保护区范围；针对保护区范围内的管线根据类型、距离等特征，对各管线的影响效应进行分级划分。为保证城市轨道交通的正常运转，管线施工前需明晰施工期间对既有地铁车站或区间隧道的影响程度。

现阶段对土体本构模型的研究，能够实际应用于数值计算中的模型有Mohr-Coulomb（MC）模型、Drucker-Prager（DP）模型、修正剑桥（MCC）模型等[2]，针对天津市地质条件，结合环境相近地区数值计算方法，选取MC本构模型[3～5]模拟管线施工阶段工况，同时结合监测数据，分析既有车站区间的变形特点及施工对其影响程度。

1 工程概况

天津某新建110 kV输变电工程新出2回110 kV线路至既有220 kV变电站，路径总长约1.4 km，途径某地铁车站及相邻区间。新建电缆以排管形式敷设，埋深约2～3 m，顶部覆土厚度约1 m，排管底板距离车站顶板最小距离约0.9 m、距区间隧道顶最小距离约4.86 m。电缆顺车站方向上穿车站及区间。见图1。

根据外部作业与地铁结构的接近程度及其所在的工程影响分区，可判定外部作业影响等级[1]。见表1。

电缆与车站距离＜0.5倍车站基坑深度，属“非常接近”；电缆位于车站结构外侧1倍结构底板埋深范围内，属“强烈影响区”，综合两项指标判定电缆排管对地铁车站影响等级为特级。电缆与区间隧道距离＜1倍隧道外径，属“非常接近”；电缆位于1～2倍隧道底埋深范围内，属“一般影响区”，综合两项指标判定电缆排管对区间影响等级为一级。

2 场地条件

电缆线路沿线场地地势平坦、地层岩性分布相对均匀。表层填土主要为杂填土和素填土，总厚度约2.30～3.60 m，工程性质较差，浅部土层第4-1层粉质黏土岩土性质较好，可以作为电缆基础的地基持力层。见表2。

结合周围环境及基坑深度，场地具备放坡开挖条件，按1∶1放坡，以机械开挖为主，人工开挖进行配合。沟槽基底标高以上20 cm的土层采用人工开挖、清理、平整，以免扰动基底土。电缆排管均采用?200 mm的C-PVC管材，沟槽内敷设电缆并充填细砂。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用岩土有限元分析软件，以南北向为Y轴、东西向为X轴、竖直方向为Z轴建立三维模型计算分析。为消除模型边界效应，X轴方向取300 m，Y轴方向取650 m，Z轴方向取55 m。模型顶面为自由面，无约束；底面每个方向均约束；四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

初始应力仅考虑自重应力场的影响。管片采用35 cm厚钢筋混凝土，按弹性匀质圆环考虑，用刚度折减系数η＜1来体现环向接头的影响。用壳单元模拟管片；地层视为理想弹塑性材料，服从 摩尔-库伦屈服准则；注浆层按弹性材料考虑，地层和注浆层均采用实体单元模拟。板、墙构件采用板单元模拟；梁、柱采用梁单元模拟，暂不考虑地上既有建（构）筑物。

有限元数值模拟基于一定的假设：

1）认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内；

2）假定电缆排管结构在计算域内沿直线水平延伸；

3）用施工步来模拟整个施工过程，考虑施工过程中空间位移的变化，不考虑时间效应。见图2。

3.2 计算结果

模型分析采用“施工阶段”模拟管线施工过程，以“钝化”土体单元的方式表示基坑开挖，以“激活”管线单位的方式表示铺设管线。

将电力管线施工阶段分为开挖沟槽；铺设管线；回填覆土3步。在车站顶板处沿顺车站方向每隔15 m提取点位，绘制位移曲线，发现开挖及铺设阶段车站呈上移趋势，开挖过程中由于沟槽处土体卸荷作用导致车站出现最大位移，约0.96 mm，最大位移出现在两根管线交汇处，由于挖除土量最多导致上移量最大。铺设管线阶段车站整体有所下沉，但下沉不明显，最大下沉量依然出现在两根管线交汇处，下沉量约为0.5 mm。回填覆土时，结构基本恢复至原始位置。见图3和图4。

沿区间敷设方向每隔5 m提取点位，绘制位移曲线，发现开挖及管线铺设阶段区间隧道整体呈现上移趋势。与管线平面位置交叉处的区间结构出现较大上移，最大上移量约为2 mm。最小位移出现在区间转弯（即与管线距离最远处），约0.3 mm。覆土回填时区间结构回归原始状态。见图5。

4 施工监测

4.1 监测方案

施工中对地铁结构进行监测，范围为地铁基坑受电缆沟槽基坑实施影响区段，单线长569 m，横向为影响区段线路中心向两侧各延伸50 m。在监测里程范围内，按每15 m布设一个监测断面，共计72个监测断面；在延伸范围内，每15～20 m布设一个监测断面，共6个监测断面。每个监测断面布设4个监测点，其中轨道道床两侧各布一个监测点，隧道区间两侧的中腰位置各布一个监测点，见图6和表3。

4.2 监测结果

4.2.1 车站结构竖向位移

车站部分典型断面监测结果发现，随着侧上方土体卸荷作用，在管线侧穿范围内，车站结构受到土体卸荷作用影响且覆土回填后基本未体现下沉趋势。车站竖向位移随施工进度逐渐体现出上移趋势，最大位移约为0.3 mm。无管线侧穿部分车站结构，受轻微影响，整体体现上移趋势，最大位移约0.1 mm。见图7。

4.2.2 区间竖向位移

提取区间部分典型断面监测结果发现，区间结构竖向位移受土体卸荷作用影响且位移随管线与区间结构距离变化而变化。管线施工过程中，区间结构在邻近管线范围整体呈现上移趋势，最大位移约为0.25 mm。随着区间与管线距离逐渐增加增加，区间位移变化逐步减弱。S19断面距离管线位置最远，覆土回填后，断面出现轻微沉降，最大沉降值约为0.5 mm。见图8。

5 结论与建议

本次研究对象管线对地铁车站的外部作业等级为特级，对区间隧道的影响等级为一级，由于与地铁距离较近，车站上部土体卸荷作用对车站结构的上浮（或沉降）会产生一定影响，但影响不大，基本可控制在1 mm以内。车站上部荷载的变化对车站结构产生不同影响，荷载变化量越大，车站结构位移变化越明显。

根据计算值与实测值的情况对比，发现MC本构模型存在一定的局限性，回填覆土后土体基本回归原始位置，体现一定的线弹性变化趋势，与实际情况略有不符。卸载弹性模量的取值影响到车站结构位移变化，模拟计算时应注意此项参数的选取。

参考文献：

[1]CJJ/T 202—2013，城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].

[2]徐中华，王卫东. 敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择[J]. 岩土力学，2010， 31（1）： 258-264+326.

[3]常    曼，陸    航. 基坑开挖对邻近地铁隧道结构的影响规律分析[J]. 西部交通科技， 2019，（10）：96-100+169.

[4]姚宏波，李冰河，童   磊，等. 考虑空间效应的软土隧道上方卸荷变形分析[J]. 岩土力学，2020，41（7）：2453-2460.

[5]刘尊景，周奇辉，楼永良. 基坑施工对邻近地铁的影响及保护措施[J]. 现代隧道技术， 2018，55（3） ：81-91.