王忠昶，虢新平，王川，唐靜

(大連交通大學(xué) 土木與安全工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

地鐵盾構(gòu)隧道施工擾動造成地層變形進(jìn)而誘發(fā)地下管線變形、破壞，導(dǎo)致各種惡性事故屢次發(fā)生[1-2].盾構(gòu)隧道引起的地層變形及其對地下管線的影響涉及到兩個方面[3].①隧道圍巖受施工擾動的影響范圍和受擾動作用后土層的形變與穩(wěn)定性；②施工擾動作用下的地下管線的承載能力及其附加應(yīng)力與形變.周晶等[4]采用平面單元研究了波作用下的連續(xù)直埋管線與四周土體的形變.得出：土質(zhì)對管線的響應(yīng)影響較大，管線與土體間的摩擦系數(shù)越大，管線的應(yīng)力越大；吳波[5]采用ANSYS軟件建立了三維地下管線模型，考慮隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體與地下管線三者的相互耦合作用分析了施工過程中埋管的安全狀態(tài)，提出了管線安全性評估的具體標(biāo)準(zhǔn)；畢繼紅，劉偉，江志峰[6]采用ABAQUAS軟件分析了隧道施工擾動對地下管線的影響，認(rèn)為管線和盾構(gòu)隧道之間的相對距離越小，施工擾動對埋管的影響越大，當(dāng)管線埋深一樣時，剛度越大，管線產(chǎn)生的形變越小，由此帶來的附加應(yīng)力越大，管線的沉降受管線下臥層土體的剛度制約，隨著土體剛度的增大，剛度制約越不不明顯；吳為義[7]利用FLAC3D軟件分析了杭州地鐵盾構(gòu)隧道施工對與隧道平行的地下管線的影響，得出：地下管線的沉降與管線埋深、管線與隧道水平距離等因素有關(guān)；駱建軍等[8]結(jié)合北京地鐵黃莊站4號線工程分析了隧道施工對埋管的擾動影響，得出：管節(jié)差異沉降不大于限制準(zhǔn)則，管線符合形變限制準(zhǔn)則.本文采用FLAC3D軟件建立了隧道-土體-管線的共同作用模型，研究了盾構(gòu)施工引起的地層變形及其對地下管線受力和變形產(chǎn)生的影響，預(yù)測了盾構(gòu)施工時埋地管線的變形情況.

1 工程概況

大連地鐵二號線春光街站(AK13+104.0)至香工街站(AK15+004.0)區(qū)間隧道，隧道全長為2.9 km，盾構(gòu)施工長度為2.3 km.雙線盾構(gòu)隧道中心間距為18 m，埋深15 m.盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)存在兩條地下管線，其中，一條鑄鐵燃?xì)夤艿琅c地鐵隧道垂直，管線埋深2 m，管線外徑為0.5 m，管線壁厚為0.02 m；另一條混凝土污水管道位于兩條隧道中央部位，與隧道平行，管線埋深4 m，管線外徑為1m，壁厚0.14 m.盾構(gòu)機(jī)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)刀盤外徑為6.4 m，盾殼外徑為6.34 m.盾殼長度為7.74 m，盾殼厚度為7 cm.C50混凝土管片內(nèi)徑5.4 m，外徑6 m，管片寬度為1.2 m，盾尾同步注漿壓力為0.2 MPa.

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，該地區(qū)地層從上到下為素填土、黏土、卵石、強(qiáng)風(fēng)化巖石、中風(fēng)化板巖，間隙計(jì)算參數(shù)通過實(shí)測數(shù)據(jù)擬合而成，采用注漿體厚度10 cm模擬7 cm厚的盾殼，盾殼的彈性模量取為70GPa.土層與襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)如表1所示.

表1 土層與襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)

2 隧道-管線數(shù)值計(jì)算模型的建立

隧道襯砌結(jié)構(gòu)外徑D為6 m，內(nèi)徑d為5.4m，隧道埋深h為15 m，隧道軸線間距l(xiāng)為18 m.隧道左右邊界取4D，下部取3D，上方取至地表，計(jì)算模型的長×寬×高為72 m×60 m×40 m，取平行隧道橫斷面水平向?yàn)閤軸，豎向?yàn)閦軸，沿隧道軸線推進(jìn)方向?yàn)閥軸，建立三維坐標(biāo)系.模型上表面為自由面，底部邊界為固定約束，側(cè)邊界為側(cè)向位移約束，計(jì)算過程中地面施加20 kPa的均布荷載，模型共劃分85 248個單元.數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示.整個模型先開挖右線隧道，再開挖左線隧道，掌子面壓力采用均布0.3 MPa進(jìn)行模擬計(jì)算.

圖1 隧道-土體-管線三維數(shù)值計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 地層沉降變形規(guī)律分析

圖2給出了右線施工時距監(jiān)測斷面Y=18 m不同距離時的地表沉降曲線.由圖可見：隨著右線隧道的掘進(jìn)，拱頂上方最大沉降值不斷增大，沉降槽寬度不斷增大.施工開挖面到達(dá)監(jiān)測斷面時，最大沉降值為3.4 mm，盾殼通過后最大沉降值為6.3mm，后期注漿及地層穩(wěn)定后最大沉降值為10.0mm，各階段沉降占比分別為34%，29%，37%.

圖2 距監(jiān)測斷面不同距離的沉降曲線(右線施工)

圖3給出了左線施工時距監(jiān)測斷面Y=18 m不同距離的地表沉降曲線.由圖可見：隨著左線隧道的掘進(jìn)，左線上方地層沉降不斷增大，右線和左線沉降值相互疊加.當(dāng)右線隧道貫通后，地表最大沉降值為11.26 mm，根據(jù)Peck公式計(jì)算得到盾構(gòu)隧道地層體積損失率為1.46%，地表沉降槽寬度系數(shù)為0.81.

圖3 距監(jiān)測斷面不同距離沉降曲線(左線施工)

圖4給出了雙線隧道盾構(gòu)施工過程中Y=18m截面隧道正上方(X=9 m和X=-9 m)地表和雙線隧道中央上方(X=0)地表沉降歷時曲線圖.由圖可見：隨著右線隧道掘進(jìn)施工，右線頂部地表監(jiān)測點(diǎn)3迅速發(fā)生沉降變形，后期逐漸平衡，中央監(jiān)測點(diǎn)2迅速發(fā)生沉降，但是沉降值小于監(jiān)測點(diǎn)3，左線隧道頂部監(jiān)測點(diǎn)4發(fā)生少量沉降變形.左線隧道施工過程中，監(jiān)測點(diǎn)4迅速發(fā)生沉降變形，監(jiān)測點(diǎn)2產(chǎn)生疊加變形，監(jiān)測點(diǎn)3受到新的擾動，發(fā)生少量沉降變形.

圖4 沉降歷時曲線

3.2 地下管線沉降變形

(1)垂直管線沉降變形

圖5為右線隧道貫通時燃?xì)夤艿某两翟茍D，圖6為左線隧道貫通時的燃?xì)夤艿某两翟茍D.由圖可見：右線隧道貫通，燃?xì)夤茏畲蟪两抵禐?0.1mm，左線隧道貫通時，燃?xì)夤茏畲蟪两抵禐?1.4 mm，最大沉降位置基本相同.

圖5 管線沉降云圖(右線隧道貫通)

圖6 管線沉降云圖(左線隧道貫通)

圖7為右線、左線隧道貫通時，管線的沉降曲線，從圖中可以看出，右線隧道貫通時，管線的沉降曲線符合高斯正態(tài)分布；當(dāng)左線隧道貫通時，疊加后的管線沉降槽不再符合高斯正態(tài)分布.

圖7 管線沉降曲線

(2)平行管線變形

圖8為右線施工掘進(jìn)30 m，污水管的沉降云圖.圖9為隧道盾構(gòu)施工不同階段污水管的沉降曲線.從圖8和圖9中可以看出，隨著右線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，污水管道沉降逐漸增大，當(dāng)右線隧道貫通時，管線最大沉降值沿縱向相差不大，最大沉降變形為5.45 mm；左線隧道盾構(gòu)施工，污水管道沉降繼續(xù)增大，左線隧道貫通后，污水管線最大沉降值為9.79 mm.

圖8 管線沉降云圖(放大1 000倍)

圖9 管線沉降曲線

3.3 地下管線受力分析

(1)垂直管線受力

當(dāng)右線和左線隧道相繼貫通時，燃?xì)夤芫€的應(yīng)力狀態(tài)也隨著發(fā)生相應(yīng)變化.右線隧道貫通時，燃?xì)夤芫€所受最大主應(yīng)力的范圍為1.3～3.1 MPa，最大拉應(yīng)力為3.1 MPa，參考管線沉降曲線，最大位置為管線曲線半徑最小處，處于管線彎曲外側(cè)；最小主應(yīng)力的范圍為3.1～7.6MPa，最大壓應(yīng)力為7.6 MPa，位于右線隧道正上方管線管頂部位，即彎曲內(nèi)側(cè).

當(dāng)左線隧道貫通時，燃?xì)夤芩茏畲笾鲬?yīng)力范圍為1.2～2.4 MPa，最大拉應(yīng)力為2.4 MPa，燃?xì)馑茏钚≈鲬?yīng)力范圍為3.1～5.6 MPa，最大壓應(yīng)力為5.6 MPa，較右線貫通減小，主要原因是由于沉降槽寬度增大，管線變形相對變平緩.

(2)平行管線受力

當(dāng)右線隧道和左線隧道相繼掘進(jìn)30 m時，污水管線的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力也隨著發(fā)生變化.作為平行管線的污水管線，當(dāng)右線隧道掘進(jìn)30 m時，污水管線所受最大主應(yīng)力范圍為3.0～0.95 MPa，最大拉應(yīng)力為0.95 MPa，最小主應(yīng)力范圍為1～2.35 MPa，最大壓應(yīng)力為2.35 MPa，最大拉應(yīng)力部位和最大壓應(yīng)力部位參考污水管的沉降曲線圖，管線曲線半徑越小，曲線內(nèi)側(cè)受壓，外側(cè)受拉.

當(dāng)左線隧道掘進(jìn)30 m時，污水管道所受最大主應(yīng)力范圍為2.04～0.80 MPa，最大拉應(yīng)力為0.80 MPa，最小主應(yīng)力范圍為1.03～2.31 MPa，最大壓應(yīng)力為2.31 MPa，相比右線隧道施工掘進(jìn)30 m時略有減小.

3.4 管線驗(yàn)算

根據(jù)節(jié)管線控制標(biāo)準(zhǔn)，以及設(shè)計(jì)單位提供的最大沉降值(50 mm)進(jìn)行驗(yàn)算比對.管線的最大傾斜率為1.46 mm/m<2.55 mm/m.燃?xì)夤芫€的最大沉降值11.4 mm<50 mm，污水管線的最大沉降值9.79 mm<50 mm；燃?xì)夤芫€最大拉應(yīng)力為2.4 MPa<[σt]=37.21 MPa，最大壓應(yīng)力為5.6MPa<[σc]=127.4 MPa，污水管線最大拉應(yīng)力為0.8 MPa<[σt]=37.21 MPa，最大壓應(yīng)力為2.31 MPa<[σc]=127.4 MPa.

經(jīng)驗(yàn)算管線處于安全狀態(tài).出于安全儲備以及施工情況的復(fù)雜性的考慮，應(yīng)適當(dāng)采取有效手段控制沉降量.

4 結(jié)論

本文在對大連地鐵二號線某區(qū)間雙隧道盾構(gòu)工程進(jìn)行了模擬后，分析了盾構(gòu)施工過程中引發(fā)的地層及附近地下管線變形和受力情況，得出以下結(jié)論：

(1)隨著右線隧道的掘進(jìn)施工，拱頂上方最大沉降值不斷增大，沉降槽寬度不斷增大.施工開挖面到達(dá)監(jiān)測斷面時，最大沉降值為3.4 mm，盾殼通過后最大沉降值為6.3 mm，后期注漿及地層穩(wěn)定后最大沉降值為10.0 mm，各階段沉降占比分別為34%，29%，37%.隨著左線隧道的掘進(jìn)施工，左線上方地層沉降不斷增大，右線和左線沉降值相互疊加.當(dāng)右線隧道貫通后，地表最大沉降值為10.0 mm.雙線隧道施工完成后，橫向地表沉降槽并不符合疊加理論，存在少量差值，雙線隧道貫通，最大沉降值為11.26 mm.按兩條隧道互不影響沉降疊加，最大沉降值為11.93 mm;

(2)右線隧道貫通，燃?xì)夤茏畲蟪两抵禐?0.1 mm，左線隧道貫通時，燃?xì)夤茏畲蟪两抵禐?1.4 mm，最大沉降位置向左有少量偏移.隨著右線盾構(gòu)掘進(jìn)施工，污水管道沉降逐漸增大，當(dāng)右線隧道貫通時，管線最大沉降值沿縱向相差不大，最大沉降變形為5.45 mm；左線隧道盾構(gòu)施工，污水管道沉降繼續(xù)增大，左線隧道貫通后，污水管線最大沉降值為9.79 mm;

(3)右線隧道貫通時，燃?xì)夤芩茏畲罄瓚?yīng)力3.1 MPa，最大壓應(yīng)力為7.6 MPa.左線隧道貫通后，燃?xì)夤芩茏畲罄瓚?yīng)力2.4 MPa，最大壓應(yīng)力為5.6 MPa，較右線貫通減小，主要原因是由于沉降槽寬度增大，管線變形相對變平緩.右線隧道貫通時，污水管線所受最大拉應(yīng)力為0.95 MPa，最大壓應(yīng)力為2.35 MPa.左線隧道貫通后，污水管道所受最大拉應(yīng)力為0.80 MPa，最大壓應(yīng)力為2.31 MPa，相比右線隧道貫通時時略有減小;

(4)經(jīng)驗(yàn)算燃?xì)夤芎臀鬯芫幱诎踩珷顟B(tài).