地铁施工对邻近管线影响主控因素及其影响程度分析.pdf
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1、31第3 8 卷工程2023年第8 期CONSTRLCTIONSAFETY地基与基坑二建筑安全地铁施工对邻近管线影响主控因素及其影响程度分析刘 涛 1,2,3李雄威1,2居尚威4郭严伟1何亮3刘志俊5(1 常州大学环境科学与工程学院,江苏常州1213164;2.常州工程职业技术学院,江苏常州213164;3.常州工学院,江苏常州213032;4.江苏城乡建设职业学院,江苏常州213147;5.江苏迈拓建设工程有限公司,江苏常州213002)摘要:城市轨道交通系统在布设过程中容易对地下管线造成影响而引发安全事故。为探究管线况降的影响因素及影响程度,依托深圳地铁6 号线科学馆站基坑开挖工程,利用有
2、限元软件PLAXIS,选择合适的管一土作用模型,开展与实际工况相同条件下的车站开挖对临近地下管线影响的模拟分析,将计算结果与现场监测结果进行对比验证分析,检验数值预测模型的有效性。结果表明:在地铁基坑施工的影响下,管线距基坑的距离对于管线的沉降影响较大,管线材料和土层刚度次之,管线埋深影响较小。进一步验证了管线的变形受外界因素的影响远大于自身因素的影响。关键词:基坑开挖;PLAXIS;管线安全;数值模拟计算中图分类号:TU990.3文献标志码:A0引言随着城市的快速发展,全国大、中型城市都在积极发展城市轨道交通系统。城轨系统的布设过程极其容易对地下管线造成影响从而引发安全事故【1 ,因此,定量
3、预测评价车站施工对临近管线的安全性影响具有非常重要的现实意义。目前关于基坑开挖对管线的影响的研究方法主要有理论分析法2-6 、模型试验法7-8 和数值分析法。相比于缺少实际案例支撑的理论分析法和试验成本较高的模型试验法,数值分析法通过有限元软件模拟复杂的实际工况并精确计算的便捷操作得到了广泛的使用,高丙丽9 基于FLAC软件开展研究,得出了地铁隧道暗挖施工对邻近不同位置的地下管线变形影响规律;杜金龙等1 0 同样基于FLAC软件,分析基坑开挖对邻近不同管径管线的影响;王磊等1 借助三维有限元模型分析了管线埋深、管线距基坑距离、管线材质等6 个因素对管线变形的影响大小;王雨等【1 2 利用ANS
4、YS软件分析了地下管线在不同因素影响下的沉降变化规律,得出了管线自身参数对其沉降的影响相对较小,而土质及盾构施工参数对管线沉降的影响较为显著的结论;GuanXM等【1 3 依托郑州实际地铁工程,研究总结了双线隧道开挖对管线沉降的影响规律。基坑开挖对管线沉降的影响规律有地域性的差异,不同的土层环境会导致管线的沉降规律不同,本文针对深圳区域,依托深圳轨道交通6 号线二期科学馆站工程项目,利用岩土有限元分析软件PLAXIS,基于土体小应变硬化模型1 4-1 5(HSS 模型),进行车站开挖对临近地下管线影响的模拟分析,将计算结果与现场监测结果进行对比验证分析,验证了模型的有效性。并基于有限元模型,开
5、展更多可变影响因素下的数值模拟试验,进一步探讨分析地铁车站施工对邻近地下管线变形影响的主控因素及其影响程度。通过找出车站施工诱发临近管线安全性风险的影响因素及其变化规律,将有助于构建市政地下管线安全量化评价模型,为深圳区域量化评价地铁车站施工诱发临近地下管线基金项目:江苏省职业教育地下工程“双师型”名师工作室、2 0 2 2 年度江苏省建设系统科技项目(2 0 2 2 ZD088);2 0 2 1 年度常州市重点研发计划(社会发展科技支撑)(CE20219001)作者简介:刘涛,1 9 9 8 年生,在读硕士研究生,主要从事岩土工程研究。E-mail:通信作者:李雄威,1 9 7 6 年生,教
6、授,主要从事特殊土的灾害预测与防治研究。E-mail:l i x w w 1 2 6.c o m32第3 8 卷二程CONSTRUCTiONSAFETY2023年第8 期地基与基坑二建筑驾全安全性风险提供参考借鉴1工程概况1.1基本概况深圳地铁6 号线科学馆站沿福田区上步南路敷设,车站起止里程为CK3+433.732CK 3+700.332,全长2 6 6.6 m。科学馆站为地下3 层结构,标准段宽度2 3.4m,基坑开挖深度约2 4m。工程沿线地质环境复杂,岩层规律呈上软下硬分布。车站主体围护结构采用1 0 0 0 mm厚地下连续墙,共设五道内支撑,其中第一、三道支撑为混凝土支撑,第二、四和
7、五道支撑为钢支撑。车站标准段剖面图如图1 所示。1.2管线概况深圳地铁6 号线科学馆站车站主体周围地下埋设有电缆、通信光缆、燃气、给水及市政雨水等各类城市地下管线。基坑的开挖会导致管线发生变形,当管线的变形超过容许值即会发生破坏,从而引发各类管线事故。1.3监测布置科学馆站车站基坑标准段地表沉降监测点在车站基坑两侧沿东西方向垂直基坑边线布置,其中东侧布置3 个测点,西侧布置4个测点。科学馆站车站基坑北侧端头井地表沉降监测点沿南北方向垂直基坑边线布置,科学馆站地表沉降监测点的布置如图2 所示同时在科学馆站基坑主体开挖过程中,选取基坑主体东西两侧6 条管线布置管线沉降监测点,采集监测数据的管线具体
8、情况如表1 所示,管线沉降监测点的布置如图3 所示。第一道混凝土支撑区001t000%素填土粉质黏土00SL第二道钢支撑0098砾质黏性土00S9第三道混凝土支撑第四道钢支撑00601强风化花岗岩第五道钢支撑000120002全风化花岗岩图1科学馆站标准段剖面(单位:mm)DBC-02-07 DBC-03-070 DBC-04-07,DBC-05-07,DBC-06-07DBC-07-07DBC-01-07ODBC-08-07DBC-09-07ODBC-10-07DBC-11-07DBC-05-06DBC-01-06DBC-02-06ODBC-03-06DBC-04-060DBC-06-06D
9、BC-07-06DBC-08-06DBC-09-06DBC-10-06DBC-11-06DBC-01-05DBC-05-05DBC-06-05 DBC-07-05DBC-02-05DBC-03-05DBC-04-050DBC-09-05ODBC-10-05DBC-11-05DBC-08-05JM-01-04JM-01-03JM-01-02JM-01-01JM-02-JM-0204-021-02-012-03DBC-11-04DBC-08-04DBC-05-04DBC-10-04DBC-02-04DBC-03-04DBC-04-040DBC-06-04DBC-09-04DBC-11-03DBC-
10、01-04DBC-07-04DBC-09-03DBC-08-03DBC-10-03DBC-05-03DBC-07-03DBC-02-03DBC-03-03ODBC-04-030DBC-06-03DBC-09-02DBC-01-03DBC-10-02DBC-11-02DBC-08-02DBC-05-02DBC-07-02ODBC-01-02DBC-02-02ODBC-03-02DBC-04-02DBC-06-02DBC-09-01DBC-10-01DBC-11-01DBC-08-01DBC-05-01ODBC-03-01ODBC-04-010ODBC-06-01DBC-07-01图2科学馆站地表
11、沉降监测点布置表1科学馆站监测管线单位:m序号管线种类管线规格材质埋深位置走向1水D600混凝土4.0主体基坑东侧约5.6南北2给水D400铸铁0.8主体基坑东侧约9.5南北3燃气D600 PE管0.6主体基坑西侧约7.5南北4给水D200铸铁明铺主体基坑西侧约2 4.7南北5燃气D600 PE管0.6主体基坑西侧约1 8.4南北6燃气D200PE管0.8基坑北侧端头井1 7.2东西33刘涛,等:地铁施工对邻近管线影响主控因素及其影响程度分析给水管线给水管线给水管线CX-02-01CX-02-01CX-02-01CX-02-01CX-02-01CX-02-01CX-02-01CX-02-01C
12、X-02-01CX-04-12给水管线CX-03-01CX-03-01CX-03-0L污水管线CX-04-11小燃气管线燃气管线CX-04-01燃气管线CX-04-03CX-04-02CX-04-04CX-04-10CX-04-09CX-04-08CX-04-07CX-04-06 CX-04-05给水管线CX-04-02CX-05-01图3管线沉降监测点布置2有限元模拟2.1有限元模型为探究基坑开挖对管线变形的影响规律,本节内容通过使用岩土有限元软件PLAXIS分别模拟科学馆站标准段和端头井基坑开挖过程,将数值模拟结果与实际监测数据对比,验证数值模拟分析的有效性。其中标准段模型选取基坑典型断面
13、建立二维模型,模型尺寸为45m160m,基坑宽度24.6m,开挖深度2 3.5m;端头井基坑依实际开挖过程建立三维模型,模型尺寸为8 0 m160m45m,基坑宽度为2 8 m,开挖深度2 6 m,模型边界条件为:四周边界限制水平位移,底部设置固定约束。标准段二维模型如图4所示,端头井三维模型如图5所示。2.2土层参数徐中华等1 6 通过对比分析不同的土体本构模型,得到了HSS模型更适用于基坑工程的结论。本文模型的部分土层采用M-C模型(摩尔一库伦模型)和HS模型(非线性弹塑性模型),其余土层均采用HSS模型。通过钻孔取样,在室内进行土体小应变变形特性试验研究,通过室内土工试验获得了深圳区域土
14、层的HSS模型参数,各土层参数如表2 所示。YX图4标准段基坑开挖模型图ZYX图5端头井基坑开挖模型图表2土层参数本构粘聚力内摩擦角刚度E/刚度E%/刚度E/初始小应变模量剪切应变水平土层模型crer/kPa$/()MPaMPaMPaGre/MPa0.7素填土M-C020.0粉质黏土HSS3024.55.86.539.0103.92.5 x10 4砾质黏性土HSS3026.510.910.260.9113.62.2 10 4强风化花岗岩HS4032.528.630.0120.0全风化花岗岩HSS3530.018.620.7100.6203.62.8 x10-42.3围护及支撑结构模拟端头井部分
15、采用地下连续墙与内支撑的支护方式,共布置5道支撑,每层开挖面上分别布置6道斜撑,其中第一、三道支撑为混凝土支撑,其余支撑为钢支撑。采用板单元来模拟地下连续墙围护结构,创建正负界面模拟土层与结构的相互作用,34第3 8 卷CONSTRUCTiONSAFETY2023年第8 期地基与基坑工程建筑驾全通过刚度等效原则确定板单元的参数:E=3.1510kN/m,Gz(剪切模量)=1.3 1 1 0 7 kN/m。采用梁单元模拟管线和混凝土支撑,采用Embed-ded桩单元模拟钢支撑,根据管线与支撑的实际强度确定计算参数。2.4工况模拟根据实际工程施工情况定义数值模拟工况,具体工况如表3 所示。表3数值
16、模拟开挖工况步骤模拟内容初始地应力平衡地下连续墙施工在-0.5m处布置第一道混凝土支撑,并开挖至-1.0 m处在-8.0 m处布置第二道钢支撑,并开挖至-8.5 m处在-1 4.5m处布置第三道混凝土支撑,并?开挖至-1 5.0 m处在-1 8.0 m处布置第四道钢支撑,并开挖至-1 8.5m处在-2 1.0 m处布置第五道钢支撑,并开挖至-2 6.0 m处2.5结果分析依各工序设置完成施工,基坑内第五道钢支撑布置完成且开挖至-2 6 m处,得到的标准段土层竖向变形云图如图6 所示,端头井土层竖向变形云图如图7 所示。从以上位移云图可以看出,在科学馆站基坑开挖完成之后,基坑周围土体环绕着基坑产
17、生变形,其中发生较大沉降的区域为距基坑边线约40 m范围之内,车站标准段与端头井基坑周围土体最大沉降值均约为1 2 mm。车站整体基坑发生最大沉降区域为基坑东西侧约2 0 m范围内,其中端头井基坑北侧土体紧邻基坑边线发生最大沉降。将标准段和端头井基坑对应实际开挖工况的土层及管线变形计算值与监测值对比,结果如图8、图9 所示。由以上沉降对比图分析可以看出,数值模拟的计算结果显示的土层和管线沉降规律与实测数据显示的沉降规律较为符合,标准段部分的沉降规律体现为沉降随距离的增加先增大后减小,端头井部分的沉降规律体现为沉降随距离的增加而减小。数值模拟的端头井地表沉降计算值和实测值基本一致,在距基坑距离较
18、小时完全符合,较远处其变形规律与实测结果基本一致。端头井管线沉降值与地表沉降值对比如图1 0 所示。*10m 25.0020.0015.0010.005.00Y0.00-5.00-10.00X-15.00图6标准段竖向位移云图*10m30.0025.8021.6017.4013.209.004.800.60-3.60ZY-7.80X-12.00图7端头井竖向位移云图距基坑距离/m距基坑距离/m010203040506070010203040506070-22-44/2-6uW/26-8-10-8-12-10一标准段地表沉降计算值一标准段管线况降计算值标准段地表沉降监测值标准段管线沉降监测值-1
19、4-12(a)地表沉降对比(b)管线沉降对比图8标准段沉降计算值与监测值对比35刘涛,等:地铁施工对邻近管线影响主控因素及其影响程度分析距基坑距离/m距基坑距离/m505101520253035010203040506000-2-2-4-4-6-6-8-8-10端头井地表沉降监测值一端头井管线况降监测值-12端头井地表沉降计算值-10端头井管线沉降计算值(a)地表沉降对比(b)管线沉降对比图9端头井沉降计算值与监测值对比距基坑距离/m01020304050600-2u/46-8端头井管线沉降监测值-10端头井地表沉降监测值-12端头井管线沉降计算值端头井地表沉降计算值-14图1 0地表沉降与管
20、线沉降对比从图1 0 的对比结果可以看出,管线沉降的规律与地表沉降具有一定的相似性,沉降都随着距基坑距离的增大而减少,且在同一距离上,管线与地表的竖向沉降值差距不大。本节计算结果与实测数据较为拟合,沉降值的大小及变化规律与监测值相差较小,可认为计算结果能够较好地反映实际情况,数值模拟结果较为可靠,验证了模型的有效性。以上管线沉降规律表明,管线沉降在很大程度上是由于外部影响因素的改变而造成的,管线自身属性对管线沉降的影响程度仍需探究。基于本节的数值预测模型,开展更多可变影响因素下的数值模拟试验,进一步探讨地铁施工对临近地下管线安全性影响的主控因素及其影响程度。3管线沉降影响因素分析由前文的分析结
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