高 濤

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，100101，北京//高級工程師)

地鐵盾構隧道施工大多處于較為繁華的地帶，周邊建筑物及錯綜復雜的地下管網(wǎng)給地鐵隧道的安全施工帶來了嚴峻挑戰(zhàn)，因此研究地鐵盾構隧道施工對鄰近管線的變形影響規(guī)律具有重要工程應用價值[2]。本文采用有限差分法，結合現(xiàn)場監(jiān)測就南寧地鐵盾構隧道施工對不同距離的既有管線變形的影響規(guī)律，提出相應的控制措施，以此來保證富水圓礫地層區(qū)既有管線的正常使用和地鐵盾構隧道的施工安全。

1 工程背景

1. 1 工程概況

以南寧軌道交通2號線某富水圓礫地層雙線隧道區(qū)間為工程背景。該區(qū)間總長為588.48 m，盾構外徑為6 180 mm，線間距為16.0～16.9 m，隧道埋深為11.4～16.4 m。雙線隧道采用土壓平衡盾構施工方式先后進行開挖，并配備換刀和防噴涌裝置。富水圓礫地層盾構施工時，掌子面不穩(wěn)定易坍塌，存在碰到漂石或孤石的概率，因此采取了以下措施：①改良渣土顆粒級配，以增加其流塑性，降低透水性，減小刀盤摩擦與扭矩；②提高刀具破巖和耐磨能力，提高帶壓進倉和常壓進倉等相關預項方案實施的安全性；③先施工左線，后施工右線。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，發(fā)現(xiàn)與區(qū)間隧道平行、垂直的既有管線較多，分別位于主干道和交叉路口的下方。隧道區(qū)間的不同斷面都存在既有管線，其中：給水管線中心埋深為1.5 m，采用DN 800 mm預應力混凝土管；污水管線中心埋深為5.5 m，采用DN 800 mm鋼筋混凝土管。兩種管道壁厚均為10 cm，且與隧道垂直。地鐵區(qū)間隧道與管線的相對空間位置剖面見圖1。

圖1 地鐵區(qū)間隧道與管線的相對空間位置剖面圖

1. 2 工程地質及水文地質條件

該區(qū)間場地位于為邕江低級階地，場地內(nèi)地勢起伏不大，分布有厚狀圓礫層，該土層有地下水的良好通道，與邕江水聯(lián)系密切，并具有富水性好、透水性好、水量大且略具承壓性等特點。區(qū)間隧道主要穿越的土層為圓礫層，隧道上方的土層依次為雜填土、素填土、粉質黏土、粉土、粉細砂及礫砂；隧道下方的土層為粉砂質泥巖，最大勘察深度為41.5 m，水位埋深為4.3～18.0 m，標高為56.66～72.17 m。各地層物理力學參數(shù)見表1。

表1 地鐵隧道區(qū)間地層物理力學參數(shù)表

2 監(jiān)測方案及數(shù)值模擬計算

2. 1 現(xiàn)場監(jiān)測方案

按照工程監(jiān)測等級劃分要求，綜合評定本工程監(jiān)測等級為一級。道路地表及管線的監(jiān)測范圍均取1.0倍隧道埋深?，F(xiàn)場監(jiān)測點布置見圖2。

2. 2 數(shù)值模擬計算模型

采用有限差分FLAC3D軟件進行數(shù)值計算，模型沿隧道橫向取64.0 m，沿隧道縱向取60.0 m，高度取36.0 m，模型尺寸為64.0 m×60.0 m×36.0 m。根據(jù)管線所在位置不同，分別建立管隧垂直下管線埋深變動的三維計算模型，如圖3所示。模型中的巖土體材料按彈塑性理論并符合摩爾-庫侖準則,盾構隧道的管片與管線采用shell單元進行模擬。

圖2 地鐵區(qū)間隧道和管線監(jiān)測點平面布置圖

圖3 地鐵區(qū)間隧道與管線的三維計算模型

2. 3 邊界條件和模型參數(shù)

設置模型邊界條件為：前后及兩側約束水平位移；底面邊界約束水平和豎向位移；模型上邊界為地表，其為自由邊界。地下水位取-4.5 m，為使模型與實際施工過程相接近，采用2組環(huán)形單元體近似代替隧道管片和壁后注漿，其厚度分別為300 mm和125 mm；支護力取0.21 MPa，注漿壓為0.2 MPa。模型中的材料單元力學參數(shù)見表2[6]。

表2 管片、注漿層和管線的力學參數(shù)

2. 4 盾構施工的模擬方法

盾構施工過程即隨著盾構推進隧道土體被開挖而使周圍土體因擾動產(chǎn)生位移的過程。為了使模擬過程與實際過程相吻合，此次模擬考慮超挖、注漿壓及漿液初凝與終凝時間，根據(jù)實際工程進度，分別在第4和第8環(huán)認定為初次硬化和最終硬化；整個施工過程都在恒定支護力下進行地鐵隧道盾構開挖，激活管片單元同時進行土體應力的釋放。該模型盾構掘進方向施工總長60.0 m，每步長1.5 m，分為40步進行開挖。

3 現(xiàn)場監(jiān)測結果與模擬計算結果對比分析

3. 1 同直徑、不同埋深下管線的沉降規(guī)律

在數(shù)值模擬計算中，在處于不同深度的管線位置布置監(jiān)測點。通過數(shù)值模擬計算，各種工況下管線最終沉降量，左、右線隧道貫通后的管線沉降量如圖4所示。

圖4 左、右線隧道貫通后管線沉降量變化模擬曲線

左線隧道貫通后，隨著管線與隧道的間距逐漸減少，管線的最大沉降量逐漸增加，最大沉降量出現(xiàn)在左線隧道正上方；隨著隧道管線埋深增加，管線受到地層沉降槽的影響增大，管線最大沉降值增大，最小沉降值減小，導致管線內(nèi)力增加。右線隧道的開挖使得左線隧道圍巖受到二次擾動，隧道開挖完成后，左線隧道上方管線最大沉降量均大于右線。右線隧道貫通后，沉降槽寬度增加，主要變形段增長，曲線整體趨于平緩。從整體上看，右線隧道的施工使原有管線沉降曲線不再符合高斯曲線。

3. 2 管線縱向沉降規(guī)律

管線縱向沉降實測結果和數(shù)值模擬計算結果進行對比，如圖5所示。由于模型長度的限制，在數(shù)值模擬計算過程中僅考慮縱向60 m范圍內(nèi)掌子面對管線監(jiān)測點的沉降影響。

從現(xiàn)場監(jiān)測及模擬計算結果來看，由盾構隧道施工造成的管線沉降空間效應大致可劃分為3個階段：①盾構通過前，沉降量變化曲線處于上升階段，這是由于盾構機實際推力大于靜止土壓力，導致局部隆起造成土體抬升，從而造成管線略有抬起趨勢；②盾構通過期間，管體受到擾動程度大、沉降速率大，沉降量約占總沉降量的70%；③當盾構刀盤通過測點2倍于盾構外徑范圍時，管線的變形主要依靠土體固結蠕變殘余變形進而逐步達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 不同管線監(jiān)測點隨刀盤位置的豎向位移變化曲線

3. 3 管線內(nèi)力分析

管線在隧道施工前就存在一定的初始應力，該應力主要表現(xiàn)為環(huán)向應力，而縱向應力非常小，隨著隧道的施工管線會產(chǎn)生一定的附加應力。以埋深較大的管線為例，左線隧道施工完成后，管線外表面的縱向應力和環(huán)向應力見圖6；右線隧道施工完成后，管線外表面的縱向應力和環(huán)向應力見圖7。

圖6 左線隧道施工完成后管線應力分布圖

左、右線隧道施工完成后，管線外表面環(huán)向和縱向的最大應力見表3。

圖7 右線隧道施工完成后管線應力分布圖

MPa

由模擬分析可知，管線環(huán)向拉應力較小，而最大壓應力出現(xiàn)在管線兩側；縱向最大拉應力出現(xiàn)在管底，最大壓應力出現(xiàn)在管頂。左線隧道貫通后，管線縱向最大壓應力出現(xiàn)在左線隧道正上方管線外表附近處，最大拉應力主要分布在3個區(qū)域：距左線隧道正上方管線上表面向兩側2R(R為盾構外徑)范圍內(nèi)；左線隧道正上方管線下表面2R范圍內(nèi)；環(huán)向最大應力主要位于左線隧道上方管線兩側面。右線隧道施工完成后，兩隧道正上方管線上表面縱向壓、拉應力較大并靠近右線隧道中心，此外，在兩隧道兩側管線上表面也產(chǎn)生了較大拉應力區(qū)域，環(huán)向最大壓應力出現(xiàn)在兩隧道中心距管線兩側面8 m處。右線隧道貫通后，管線縱向最大壓應力小于僅左線情況下管線縱向最大壓應力，這是由于隨著右線隧道盾構施工，引起土體二次擾動，使得管線內(nèi)力重分布，原有管線變形較大處得以“舒展”，進而該處的內(nèi)力向右線隧道上方管線傳遞釋放，管體變形曲線的斜率整體得到較好的改善。在整個隧道施工期間，管線最大壓應力為4.58 MPa，最大拉應力為2.75 MPa。該工程管線材質為鋼筋混凝土結構，最大許用抗拉、壓應力均大于該管線相應最大應力值，因此，管線處于安全狀態(tài)。有些地下管線采用素混凝土，許用拉應力為1.03 MPa，許用最大壓應力為15.0 MPa，對于大多數(shù)情況來說，管線都會在受拉區(qū)產(chǎn)生裂縫，將引起管線安全或地下環(huán)境受到危害等問題。在這種情況下，應采取懸吊保護或注漿加固等措施。

通過現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬計算對比分析表明，兩種方法的管線最終沉降量曲線較為吻合，表明數(shù)值模擬計算結果能夠較好地預測管隧垂直情況下管線變形及內(nèi)力分布情況，可為富水圓礫地層盾構施工對地下鄰近管線的安全評估提供參考。

4 結論

本文采用有限差分數(shù)值方法和實測數(shù)據(jù)對比，分析了雙線隧道盾構施工對鄰近垂直管線變形規(guī)律的影響，并對管線安全性進行了評價，得到以下結論：

1) 通過數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場監(jiān)測對比，發(fā)現(xiàn)兩種方法的各階段管線沉降曲線較為吻合，表明數(shù)值模擬計算方法能夠模擬富水圓礫地層盾構施工對管線的影響，并可將其運用于地鐵隧道工程實踐。

2) 盾構刀盤到達前，管線沉降曲線均會出現(xiàn)先隆起且最終總體沉降的趨勢；盾構通過階段，管線沉降曲線變化顯著；當盾構通過2倍盾構外徑范圍后，管線沉降量逐漸減小且最終趨于穩(wěn)定，整個過程歷時較長。

3) 右線隧道貫通后，管線沉降曲線不再符合高斯曲線，最大沉降量出現(xiàn)在靠近先行施工隧道一側，此時管線主要變形段增長，且管線變形曲線斜率整體呈變小趨勢。

4) 右線隧道貫通后，縱向最大拉應力呈增大趨勢，而縱向最大壓應力呈減小趨勢；鋼筋混凝土管道能滿足抗拉強度要求；對素混凝土管道而言，最大拉應力不能滿足許用抗拉強度要求，需采取相關保護措施。