大型换水管在地铁明挖基坑中处理方案优化研究

郑航

摘要 文章以天津某地铁明挖基坑为工程背景，针对大直径换水管与地铁结构平、剖面交叉重叠情况，在不影响换水管使用且不影响地铁功能的前提下，将地铁方案进行优化，通过“临时废除+管线原位复位+悬吊保护”形式，满足地铁围护结构施工、基坑开挖及主体结构施作条件。并结合有限元数值模拟以及实际监测数据验证方案合理性和可行性，为类似工程提供参考。

关键词 地铁；明挖基坑；换水管；悬吊保护；有限元分析

中图分类号 TU990.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0121-03

0 引言

随着城市化进程及城市建设的不断发展，地铁线网日趋密集，车站周边环境亦愈发复杂。地铁建设场地多处于市区繁华区域，周边环境条件成为限制地铁设计和施工的重要因素，其中，市政管线尤其不可忽视。该文以天津某地铁明挖基坑为工程背景，针对大直径换水管与地铁结构平、剖面交叉重叠的特殊情况，通过优化设计方案，合理组织施工工序，并提出“临时废除+管线原位复位+悬吊保护”方案[1]，在不影响换水管使用且不影响地铁功能的前提下，同时满足了地铁围护结构施工、基坑开挖及主体结构施作条件，并结合数值模拟以及实际监测数据验证方案可行性[2-3]，为类似地铁与市政管线冲突的工程案例提供参考。

1 工程概况

1.1 工程与水文地质

沿线场地地势平坦，地层岩性分布相对均匀。地铁基坑影响范围的土层主要为素填土、粉质黏土、砂质粉土，局部存在淤泥质黏土。勘察期间测得场地地下潜水水位：初见水位埋深2.6～3 m，静止水位埋深1.8～2.3 m。

1.2 地铁工程简介

天津某地铁明挖工程，长度约350 m，标准段宽度21.8 ～23.05 m。结构竖向沿线路左线中心线由小里程向大里程2‰降坡，顶板覆土约4.46 m，小里程端接顶管隧道，大里程端接盾构隧道。主体基坑标准段开挖深度约20.38 m，小里程顶管井基坑开挖深度约21.734 m，大里程盾构井基坑开挖深度约22.246 m。地铁平面布置如图1所示。

1.3 地铁基坑支护结构

基坑支护安全等级为一级，变形控制保护等级为一级，围护结构采用地下连续墙，标准段厚度为0.8 m，大小里程端头井段厚度为1 m，墙长38～40 m。地下连续墙兼作止水帷幕，隔断第一层承压水，第二层承压水设置减压井按需减压。基坑采用5道支撐+1道换撑，其中首道为钢筋混凝土撑，其余为Φ800、t=16的钢管撑。

1.4 换水管与地铁工程相对关系

地铁结构小里程东北侧存在一根周边河道换水管，管径为DN1500，管底埋深约6 m，与地铁结构在平面和竖向均存在交叉，影响地铁施工，关系如图2所示。

1.5 管线处置措施及地铁方案优化

结合周边环境情况，该换水管不具备永久切改条件。因场地条件限制，若对该管线进行临时切改，需增加交通导行工作量，亦需切改基坑边其余管线为换水管提供切改空间，导致施工工序增多且增加工期；由于地铁明挖现浇箱形结构与顶管区间隧道结构存在结构形式差异，且车站小里程为配线区，配线道岔需避让结构形式差异区域，结构端墙回缩会影响道岔运行；若保证道岔处结构形式统一，需采用暗挖工程或对顶管管节进行加固改造，增大工程风险、投资及工期。故考虑将管线进行原位保护，结合该处地铁结构形式，通过局部优化地铁基坑支撑布置形式，基坑开挖阶段利用板撑支托管线；局部优化地铁顶板标高，竖直方向永久避让管线，创造管线原位保护条件。优化后方案如图3所示。

2 换水管保护方案

2.1 总体工艺流程

经与产权单位进行沟通，当前季节换水频次为半月一次，非换水期间具备临时废除条件。据此提出“临时废除+管线原位复位+悬吊保护”方案，管线废除期间若进行换水采用临时抽调水，总体工艺流程为：①对该DN1500换水管进行临时废除；②施工换水管临时调水井并根据需求进行临时调水；③对地铁地连墙范围内换水管进行清障；④施工地铁地连墙围护；⑤施工复位换水管围护并进行开挖；⑥开挖基坑至复位换水管底标高，施作换水管悬吊保护的结构底板；⑦进行地连墙局部开洞，完成换水管原位复位；⑧施工悬吊保护的结构侧墙，将换水管与地铁基坑完全隔离，形成完备的保护措施；⑨回填悬吊保护管线区域土体，进行地铁基坑开挖回筑。

2.2 换水管原位复位基坑支护与悬吊保护方案

DN1500换水管原位复位的地铁外基坑采用Q295bz-400×170拉森钢板桩+两道Φ402×12钢支撑的支护形式，与地铁结构冲突部位利用地铁围护结构（地连墙+冠梁）进行支护，地铁基坑内采用放坡开挖。

拉森钢板桩与地铁围护地连墙接驳处采用3根Ф800@500 mm、深度同拉森钢板桩长的高压旋喷桩进行接缝止水。

考虑该换水管为混凝土管线，且自重较大，结合换水管与基坑斜角关系，采用大型板撑兼做基坑角部支撑作为管线竖向支撑结构。土方开挖到设计标高后，进行板撑施工，板撑与地连墙处钢筋采用接驳器连接。为避免悬吊换水管在地铁开挖期间发生渗漏影响地铁基坑，通过板撑及保护侧墙将换水管进行封闭隔离。具体管线方案如图4所示。

3 有限元分析

3.1 模型建立

为了充分论证换水管悬吊保护方案的可行性，分析地铁基坑及换水管的变形情况，采用有限元分析软件Midas GTS NX，岩土单元本构模型采用修正莫尔—库仑模型，土体采用3D实体单元，围护结构地连墙、主体结构、换水管采用2D板单元，基坑内支撑与换撑采用1D梁单元，按照实际尺寸建立整体三维有限元模型，并按自地铁基坑开挖直至主体结构回筑完成的实际施工顺序进行数值分析计算，具体模型示意图如图5所示。

3.2 计算结果

根据分析情况，地铁基坑开挖至坑底时，基坑变形和换水管变形最大，各方位的变形云图如图6～8所示。

由数值计算结果可知：基坑周边土体竖向变形沉降最大值为20.74 mm，水平变形最大值为22.97 mm，满足基坑变形控制要求。

根据产权单位要求，换水管沉降监测控制值：最大沉降累计值达15 mm，变化速率2 mm/d，差异沉降0.15%Li（Li为管节长度）。地连墙洞口处换水管竖向变形约7 mm，地连墙洞口至相邻检修井间的管节长度9 m，管节范围内最大竖向变形22.45 mm＞15 mm，差异沉降（22.45?7）/9 000*100%=0.17%＞0.15%，不满足产权单位提出的变形要求。考虑计算模型中换水管与地连墙为硬接触，对计算结果有一定影响。在换水管穿越地连墙处，应充分考虑消除地铁施工阶段地连墙变形对换水管的作用。故要求现场采用柔性套管+内部混凝土管的形式，避免换水管与地连墙硬接触，控制沉降。

4 施工监测情况

为了确保换水管在地铁基坑施工期间的安全性，并进一步验证换水管悬吊保护方案的合理性，该项目进行了完善的施工监测工作，全面掌握该项目施工过程中地铁基坑和换水管的变形情况。具体监测数据如表1所示。

根据监测数据结果，换水管及地铁基坑监测指标满足各项监测要求。

5 结论与建议

周边环境条件尤其市政管线的限制是影响地铁设计和施工的重要因素。针对大直径换水管与地铁结构平、剖面交叉重叠的特殊情况，通过优化地铁结构，并采用“临时废除+管线原位复位+悬吊保护”方案可以在不影响换水管使用且不影响地铁功能的前提下，满足地铁围护结构施工、基坑开挖及主体结构施做条件。

数值模拟中，地下连续墙与悬吊保护换水管为共同变形，分析结果显示管线变形不满足要求。故换水管穿越地连墙处，应充分考虑地铁施工阶段地连墙变形对换水管的影响，通过采用柔性套管+内部混凝土管的形式，避免换水管与地连墙硬接触。

施工监测数据充分验证了方案的合理性和可行性，基坑变形和换水管绝对沉降、差异沉降均满足规范和产权单位要求。

參考文献

[1]龙治强. 横跨基坑大直径污水管线原位悬吊技术研究[C]//《施工技术》杂志社，亚太建设科技信息研究院有限公司. 2022年全国土木工程施工技术交流会论文集（上册）. 2022： 4.

[2]邹淼，吴禄源，王磊. 某地铁车站深基坑开挖对临近管线的影响分析[J]. 铁道标准设计，2016（3）： 106-111.

[3]张琨. 横跨地铁明挖基坑大直径给水管线保护技术[J]. 山东交通科技，2016（5）： 80-82+84.