兰州地铁开挖对临近地下管线的影响探讨

郭 斌 王沈力 张森安

(甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃 兰州 730000)



·桥梁·隧道·

兰州地铁开挖对临近地下管线的影响探讨

郭 斌 王沈力 张森安

(甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃 兰州 730000)

以兰州轨道交通1号线明挖法开挖段工程为例，利用FLAC3D有限差分软件，建立了三维地质模型，对某区间开挖过程中周边地下管线的应力应变进行了分析，有限差分法分析及实际监测数据表明，地铁开挖对地下管线的位移有显著影响，进而定性分析了管道变形规律。

地铁，地下管线，FLAC3D，沉降量

0 引言

随着城市建设的快速发展，城市交通面临着严峻的局势，地铁建设已经成为一种解决城市公共交通的重要途径之一，然而，兰州地处陇西黄土高原，其工程地质、水文地质及工程周围环境条件复杂，加之地铁施工会引起地面沉降变形，进而导致地下管网的变形。

兰州市轨道交通一号线一期工程修建在繁华闹市区，西起陈官营，东至东岗，线路全长26.798 km，皆为地下线路。地铁沿线各类市政管线错综复杂，均承担着兰州市民的重要民生功能，破坏后对市民正常生活将造成一定影响。自2014年开工建设以来，地铁1号线沿线出现了多起工程事故，制约着兰州市地铁建设的发展，并且极大的影响了市民生活。

地铁深基坑工程的规模和施工难度也在日益增大。兰州地区地铁也在建设当中，如何避免由于地铁深基坑及开挖降水而引起周边地下管道变形过大而破裂，已经成为人们关注的重点问题。兰州地铁1号线车站都建在繁华闹市区，周围各种地下管道错综复杂，如若基坑开挖保护措施不当，必将引起地下管道的破裂，从而造成不可估量的经济损失。因此针对兰州地铁开挖施工及降水对周边地下管道的影响的研究就显得尤为重要。

目前现有的研究理论在软土地区相对比较成熟，而对于兰州地区土层复杂的地铁车站深基坑的数值模拟还相对较少，因此深入系统地开展“兰州地区地铁车站深基坑开挖及降水对周边管道影响的数值分析与研究”是十分有必要的，同时对完善理论分析及工程设计具有重要的参考价值。

深基坑降水要贯穿基坑开挖的全过程，所以在施工过程中要着重保护地下管道。近年来，国内针对深基坑降水对基坑周边环境影响分析较多，王雨通过理论分析及有限元计算软件模拟分析了隧道开挖对刚性地下管线的影响；吴贤国等对地铁施工对邻近管线的安全影响进行了分析探讨，研究地铁施工邻近管线安全风险管理标准，并提出了地铁施工邻近管线安全风险管理体系，为不同风险等级的邻近管线安全管理控制提供可靠依据，朱庆杰等对管土摩擦和管径对管道破坏的影响进行了分析。本文主要通过三维有限元法重点研究兰州地区地铁车站深基坑开挖及降水对邻近地下管道的影响，为兰州地区地铁车站及类似深基坑设计和施工提供重要的依据。

1 计算模型与参数

1.1 模型尺寸及边界条件

本次计算选取甘肃兰州轨道交通1号线拱星墩—焦家湾区间暗挖工程对自来水管道的影响分析。考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取其有效影响范围，即2倍～3倍隧道埋深。根据该区间的典型断面建立了一个三维地质模型，模型长80 m，宽20 m，自地表60 m厚的土体作为计算范围，重点分析了兰州轨道交通1号线拱星墩—焦家湾区间暗挖法施工对自来水管道产生的应力应变，计算模型有27 400个单元，334 444个节点。计算模型如图1所示。模拟边界条件的选取时除了顶面取为自由边界，其他面均施加法向约束边界条件。

本论文中的计算过程，地层模型采用大变形理论。模型中，地铁区间隧道初期支护和结构周围土体采用实体单元，自来水管道采用Shell结构单元，以砂浆M10强度作为模拟计算参数，不同的土层采用不同的材料参数进行计算分析，计算边界条件的选取除了顶面为自由边界外，其他面均采用法向约束。计算荷载考虑既有隧道结构自重、土体竖向自重力等。土层从上往下依次为素填土层、黄土状土层、卵石层以及砂岩层。

计算参数见表1,表2。

表1 岩土体参数取值表

表2 结构参数表

1.2 模拟施工过程工况

为综合施工中的各种施工不利因素，本计算选取关键工况进行分步开挖(见图2～图5)，以小导管超前注浆→台阶开挖留核心土→上台阶初期支护，并施作临时仰拱→下部开挖→下部初期支护→先墙后拱法施工二次钢筋混凝土衬砌。

注浆与开挖模拟按如下工况进行：超前加固，地层超前小导管注浆；隧道开挖：先进行右线开挖，后进行左线开挖。隧道分上下2个导洞施工，每个导洞均采用正台阶法，即预留核心土的环向开挖，步距为2 m，并施作临时仰拱，上导洞开挖8 m～16 m后开挖下导洞，本次模拟计算按照施工模拟顺序进行。主要工况如下。

2 地下管道应力应变分析

从图6～图9可以看出，右线开挖完成后，地表最大沉降量为21.3 mm，自来水管道最大沉降为21.3 mm，整体均匀沉降，自来水管道最大水平位移为7.2 mm。右线贯通后，地表的最大沉降量为21.3 mm，沉降点最大值并不是隧道中线位置上方，而最大沉降量的位置在自来水管道附近。第一主要是因为自来水管道是一个相对于周围岩土体刚度较大的刚性管道，整体性较强，地铁隧道开挖卸荷引起周边岩土体发生相应的应力应变，自来水管道的应力应变也随之变化，所以岩土体变形最大值位于自来水管道附近。另外由于自来水管道的存在影响了地层变形的传递连续性，刚度较大的自来水管道对其上方的土体的变形还起到了一定的积极作用。

当双线贯通后(见图10～图13)，地表最大沉降量为31.5 mm，引起7 mm的地表附加沉降，最大沉降点位置没有发生较大的变化，引起的自来水管道的附加沉降量为5 mm左右。右线施工时的土体加固作用提高了右线周边土体的强度，该强度对左线开挖时土体的变形起到了相应的抑制作用。

3 与实测值进行对比分析

根据检测数据，拱星墩—焦家湾区间，地表最大沉降累计为-119.64 mm(DB32-01)，沉降速率为-3.470 mm/d,DB31-01最大负向沉降量为94.57 mm；上水管线竖向位移-77.307 mm(GS2-36)，最大负向速率为-4.750 mm/d；GS1-36,78.187 mm，GS1-37，25.5 mm；污水竖向位移最大值为-97.003 mm(GW1-34)，GW2-31最大负向累计为65.150 mm。

地表监测了13点，截至2015年3月19日的平均沉降量为34.18 mm，给水管线监测30点，累计平均沉降量为30.37 mm。

而数值计算的结果地表最大沉降量为31.5 mm，误差在20%以内，从而验证了数值计算方法可行性，结果可为自来水管道的防护方案提供理论支持。

根据以上的分析，结合图6～图13可知：引起的变形与应力变化主要是由隧道右线开挖引起的，也就是隧道开挖对临近自来水管道的应力应变影响较大，左线开挖引起的自来水管道的应力应变发生相对微小的变化，这是由于左线开挖引起的应力应变影响范围波及不到该段自来水管道的缘故；另外，结构二衬对自来水管道的应力应变影响较小。

另外，根据施工检测数据，拱星墩—焦家湾区间地表及自来水管线的沉降变形量可以看出,随着时间的推移，沉降量先增大后趋于平稳。DB20-01沉降量最大值为46.6 mm；给水管线GS1-22,GS1-23,GS1-26,GS1-34,GS1-36,GS1-38的沉降量最大值为94.1 mm,64.1 mm,61 mm,28.6 mm,111.3 mm,61.7 mm。

4 结论与建议

4.1 结论

通过对拱星墩—焦家湾区间矿山法施工进行了有限差分数值计算，分析了地铁隧道开挖对自来水管道的影响。根据对数值模拟的分析，可以得出以下结论：

1)隧道的开挖对自来水管道产生了变形变化，主要表现为竖向沉降，竖向沉降最终为22.25 mm，其中：右线的开挖是引起自来水管道和土体变形的主要工序，占整个变形的90.8%；左线开挖引起自来水管道的附加沉降占整个变形的9.2%；二衬施工对自来水管道的影响较小；水平位移变化的影响较小。

2)隧道的开挖引起了周边土体的沉降，竖向沉降最大值为31.5 mm，其中：右线开挖是引起地表沉降的主要工序，占整个沉降的93%；左线开挖引起地表附加沉降占整个沉降的6.7%；二衬施工对地表沉降的影响较小；水平位移变化的影响较小。

3)随着管道距隧道的距离越大，其竖向变形量与水平变形量均减小。

4.2 建议

1)按照国家、行业相关规范标准对地铁周边自来水管道进行沉降变形监测，出现陡降或超过规范允许变形值时，建议加大监测频率、分析原因，对基坑位移监测数据予以重视，及时采取相应防范、保护与有效加固措施，并通报管线主体单位。当自来水管道变形监测点发生破坏时，建议进行补充修缮。

2)建议地铁施工单位制定基坑、隧道施工作业人员紧急救援预案，防止因轨道施工引起的给水管道爆裂导致产生重大基坑失稳、人员伤亡事故和设备损坏事故。

3)建议自来水管线单位派专人进行巡查，加强了巡线密度，掌控轨道交通施工工况及施工进度，全面了解其对自来水管道的影响因素，做好管线维护。

[1] 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.

[2] 吴贤国,曾铁梅,张立茂.地铁施工邻近管线安全风险管理研究[J].铁道工程学报,2013(9):127-132.

[3] 吴 波，高 波，索晓明．城市地铁隧道施工对管线的影响研究[J].岩土力学，2004(4):657-662.

[4] 王文辉．盾构隧道下穿西气东输管道保护方案[J].铁道工程学报，2012(10):70-74．

[5] 马石城，李杰辉，印长俊.深基坑开挖对周边管线位移的影响分析[J]．湘潭大学自然科学学报,2014,36(3):23-27.

[6] GB 50739—2011,复合土钉墙基坑支护技术规范[S].

Discussion of influence of excavation of Lanzhou subway on near underground pipeline

Guo Bin Wang Shenli Zhang Sen’an

(GansuChinaBuildingMunicipalEngineeringSurveyandDesignInstitute，Lanzhou730000，China)

Taking the excavation engineering of Lanzhou Metro Line 1 as the example, three-dimensional geological model was build with the finite difference software of FLAC3D, stress and strain of the surrounding underground pipelines were comprehensively analyzed under the conditions of excavation. On the basis of finite difference analysis and actual monitoring data, it was found that subway excavation has a significant impact on the displacement of underground pipelines. At the same time, deformation law of underground pipelines was qualitatively analyzed.

subway, underground pipeline, FLAC3D, settlement

1009-6825(2017)10-0161-03

2017-01-22

郭 斌(1987- )，男，硕士，工程师； 王沈力(1983- ),男，硕士，高级工程师； 张森安(1963- ),男，教授级高级工程师

U231

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