方繼安 于海峰 葛忻聲

1. 中鐵六局集團有限公司 北京 100036；2. 太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院 山西 太原 030024

目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就盾構(gòu)施工對管線的影響進行了很多研究。祝樹紅等[1]利用ABAQUS有限元計算程序，根據(jù)隧道與既有鄰近管線的垂直關(guān)系，對盾構(gòu)隧道開挖過程中的鄰近區(qū)域土體擾動以及鄰近既有管線的變形進行了研究；張平[2]應(yīng)用現(xiàn)場實測與ANSYS軟件模擬分析相結(jié)合的措施，對管線與鄰近土體相互作用應(yīng)力、隧道開挖時鄰近地下管線實測變形量、盾構(gòu)施工的數(shù)值計算、管線性狀的影響參數(shù)等進行研究；王培利等[3]以上海軌道交通8號線某區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越既有原水管道為工程背景，應(yīng)用ABAQUS有限元三維數(shù)值方法，分析盾構(gòu)穿越既有原水管道時的原水管道沉降變形特征，分析不同施工參數(shù)對原水管道沉降的影響，并對既有原水管道沉降變形進行現(xiàn)場監(jiān)測分析；魏綱等[4]基于Winker彈性地基梁模型，通過研究管土相互作用效應(yīng)，推導(dǎo)出連續(xù)管線應(yīng)力應(yīng)變與地表沉降解析式。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，本文借助FLAC3D軟件建立了盾構(gòu)隧道施工垂直下穿管線的數(shù)值分析模型，對盾構(gòu)施工引起管線變形的因素及多個影響因素的顯著性進行了研究，給出了盾構(gòu)隧道施工時控制管線變形的初步建議。

1 數(shù)值計算模型

數(shù)值計算模型根據(jù)太原市軌道交通2號線某盾構(gòu)區(qū)間隧道施工垂直下穿一條大直徑雨污水管線的工程背景建立，在隧道開挖過程中須嚴格控制地層沉降，保證地面交通正常運行及周圍建筑物的安全。盾構(gòu)施工技術(shù)參數(shù)：開挖面上方土壓為0.15～0.20 MPa，下部土壓為0.21～0.26 MPa，推進速度62 mm/min，襯砌注漿壓力0.25 MPa，注漿量為3 m3/環(huán)。數(shù)值計算模型及其簡圖如圖1所示。

圖1 數(shù)值模型及其簡圖

2 計算結(jié)果分析

通過模擬程序計算得到隧道貫通時土體與管線的沉降云圖，如圖2所示。盾構(gòu)隧道全部開挖完成后，拱頂土體向下沉降，拱底土體向上擠壓，隧道周邊土體變形量較大，距隧道遠的土體變形量較小。拱頂位置土體沉降達到最大，地表橫向沉降形式基本符合高斯曲線分布。管線產(chǎn)生最大沉降的位置為管線中部，處于隧道中心軸線正上方，管線的整體沉降趨勢基本符合高斯曲線分布。

圖2 土體及管線沉降云圖

隧道開挖計算時，將盾構(gòu)機開挖的速度視為2.4、3.6、4.8、6.0 m/步。不同的隧道開挖速度對管線沉降影響曲線如圖3所示，隧道的開挖速度對管線的沉降影響顯著。管線最大沉降的變化趨勢如圖4所示，管線最大沉降隨隧道開挖速度的增大而增大，沉降增長趨勢逐漸變緩，在隧道開挖速度達到4.8 m/步后，管線產(chǎn)生的最大沉降逐漸趨于平穩(wěn)。

支撐壓力比是掌子面支撐壓力與靜止土壓力的比值。計算時選取數(shù)值為0.2、0.3、0.4、0.6進行數(shù)值分析。隧道開挖穿過管線后管線的沉降情況較明顯，因此當模型隧道開挖至33.6 m時記錄管線的沉降數(shù)值。

不同支撐壓力比的影響如圖5所示，當支撐壓力比為0.2時，管線最大沉降為6.122 mm；當支撐壓力比為0.5時，管線的最大沉降為5.263 mm。管線最大沉降的變化趨勢如圖6所示。掌子面支撐壓力比與管線的最大沉降近似成反比關(guān)系，隨掌子面支撐壓力比的增大，管線的最大沉降量逐漸減小。

隧道直徑的大小也是影響管線沉降的一個重要參數(shù)。根據(jù)不同的工程建設(shè)，選取合適的隧道直徑尤為重要。本節(jié)始終保持隧道與管線的軸線相對位置不變，隧道直徑數(shù)值設(shè)為5、6、7、8 m。隧道不同直徑的影響如圖7所示。當隧道直徑為5 m時，管線的最大沉降為9.212 mm，當隧道直徑為8 m時，管線的最大沉降達到24.115 mm，沉降增大161.78%。由此可見，隧道直徑的變化對管線的沉降影響顯著。管線最大沉降變化趨勢如圖8所示，隧道直徑與管線最大沉降兩者近似成反比關(guān)系，管線的最大沉降隨隧道直徑的增大而變大。

在盾構(gòu)隧道開挖工程中，隧道和管線的距離是影響管線沉降的重要因素?？刂乒芫€的覆土厚度不變，選取管線與隧道距離分別為6、7、8、9 m，不同管隧間距的影響如圖9所示。當管隧間距為6 m時，管線產(chǎn)生的最大沉降為20.462 mm；當管隧間距為9 m時，管線最大沉降為15.417 mm，沉降減小約24.65%。管線最大沉降變化趨勢如圖10所示，管隧間距以一定增量逐漸增大時，管線的最大沉降也近似定量減小。

3 影響因素的顯著性分析

本節(jié)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對第2節(jié)各影響因素引起的管線沉降的顯著性進行排序，以便在實際工程中采取有效措施以減小管線沉降。從數(shù)學(xué)角度考慮，灰色關(guān)聯(lián)分析 法[5]屬于幾何的處理方法，它對一定的數(shù)據(jù)順序采取幾何比較，這些順序反映了各個因素的變化特征。通過對比各個因素的關(guān)聯(lián)曲線，由序列曲線走勢的相似程度確定關(guān)系的大小，得出各因素的關(guān)聯(lián)程度。曲線之間的距離越小，關(guān)聯(lián)度就越大；反之越小。灰色關(guān)聯(lián)分析法打破了以往精確數(shù)學(xué)絕不允許存在模棱兩可情況的規(guī)則，這種方法對數(shù)據(jù)間的分布規(guī)律及各個因素的相關(guān)性沒有要求，具有原理簡單、方便掌握和操作、計算準確等優(yōu)點。因此，灰色關(guān)聯(lián)分析法已被各個學(xué)科廣泛應(yīng)用。

3.1 確定系統(tǒng)特征行為序列及因素行為序列

系統(tǒng)特征行為序列（參照序列）的準確選擇對灰色關(guān)聯(lián)分析至關(guān)重要。本文選用管線最大沉降作為參照序列X，系統(tǒng)相關(guān)因素行為數(shù)據(jù)序列（比較序列）Y包括隧道開挖速度、支撐壓力比、隧道直徑及管隧間距4個因素。

在符號矩陣中，設(shè)立一項故事元素為X，其對立面是反X，與X矛盾但并不一定對立的是非X，反X的矛盾方即非反X。X和反X相互對立；非X是X的矛盾項，非反X是反X的矛盾項；X和非反X、反X和非X相互蘊含或互補。矩陣如下圖所示：

通過第2節(jié)的數(shù)值計算結(jié)果，可得出管線隧道開挖速度、隧道直徑與管線最大沉降成正比關(guān)系，掌子面支撐壓力比、管隧間距與管線最大沉降成反比例關(guān)系，通過對反比例相關(guān)參數(shù)，采取倒數(shù)化處理得到準確的對比序列。各個影響因素變化下管線產(chǎn)生的最大沉降數(shù)值如表2所示。

表2 各影響因素變化時管線最大沉降數(shù)據(jù)

參照序列X以及比較數(shù)據(jù)序列Y分別為：

3.2 數(shù)據(jù)變換

由于各影響因素的物理意義以及量綱并不完全統(tǒng)一，因此，必須要對指標序列進行數(shù)據(jù)變換。本次分析采用多指標序列數(shù)據(jù)變換，即多指標中的成本型數(shù)據(jù)變換的處理方法。通過求解差異矩陣中的二級最大差及最小差，以及鄧氏關(guān)聯(lián)度等相關(guān)公式，解得關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣為：

3.3 顯著性分析

用解得的關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣，求解關(guān)聯(lián)度＝[隧道開挖速度 掌子面支撐壓力比 隧道直徑 管隧間距]＝[0.681 0.704 0.937 0.866]。

通過上述計算，以管線的最大沉降量為指標，對各個影響因素的顯著性進行對比及排序研究[6-7]，對管線沉降量影響的顯著程度由弱到強依次為：隧道開挖速度、隧道掌子面支撐壓力比、管隧間距、隧道直徑。

4 結(jié)語

本文對盾構(gòu)施工引起管線變形的因素及多個影響因素的顯著性進行了研究，得到以下結(jié)論：

2）隧道直徑的大小變化對管線的沉降影響最大，因此在進行大直徑盾構(gòu)隧道開挖時，應(yīng)對周圍管線進行位移監(jiān)測，實時觀察管線變形情況，避免隧道開挖使周圍管線發(fā)生破壞，導(dǎo)致施工事故。

[1] 祝樹紅,周唯銥,徐鵬舉.盾構(gòu)施工對地下管線影響數(shù)值模擬研究 [J].低溫建筑技術(shù),2016,38(2):119-122.

[2] 張平.地鐵盾構(gòu)施工對鄰近地下管線的影響分析[D].保定:河北大 學(xué),2017.

[3] 王培利,雷震宇,周駿.盾構(gòu)隧道近距離平行穿越原水管道沉降分析 [J].現(xiàn)代城市軌道交通,2015(6):38-41.

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[5] 李梓源,王海亮.基于灰色關(guān)聯(lián)度分析法的淺埋隧道圍巖穩(wěn)定性研 究[J].安全與環(huán)境學(xué)報,2017,17(6):2079-2082.

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