黑龍江哈爾濱地下輸水管道突然破裂對(duì)地鐵隧道的影響

楊 逾 ，周小科

（遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土 木與交通學(xué)院，遼寧 阜 新 1 23000）

0 引言

城市管線作為城市正常運(yùn)行的命脈，遍布城市各處，工程建設(shè)管線問題往往不可避免，突發(fā)的管線破裂泄漏會(huì)導(dǎo)致工程周圍地質(zhì)環(huán)境的改變，從而影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，對(duì)局部或整體工程安全構(gòu)成威脅［1-3］。

哈爾濱地鐵處于市內(nèi)繁華地帶，由于哈爾濱市地處我國東北，屬于凍土地區(qū)，地下工程眾多，地下管線分布錯(cuò)綜復(fù)雜，冬夏溫差較大，導(dǎo)致地質(zhì)條件不穩(wěn)定性較其他地區(qū)復(fù)雜，同時(shí)加上施工的擾動(dòng)，管線時(shí)常發(fā)生破裂泄漏，這嚴(yán)重影響了地鐵隧道的建設(shè)，因此，研究管線開裂造成泄露對(duì)地鐵隧道的影響具有重要的意義［4］。

1 工程概況

1.1 工程概況

哈爾濱市地鐵一期土建工程七標(biāo)段起于鐵路局站，沿西大直街穿過紅軍街進(jìn)入博物館站，再沿東大直街先后進(jìn)入龍江街站及煙廠站，繼續(xù)沿東大直街轉(zhuǎn)入一曼街進(jìn)入工程大學(xué)站，共計(jì)三站：博物館站、龍江街站、煙廠站；四區(qū)間：鐵路局站—博物館站、博物館站—龍江街站、龍江街站—煙廠站、煙廠站—工程大學(xué)站。標(biāo)段起訖里程為：SK9+973.33～SK13+523.936，全長 3550.606m。

1.2 工程地質(zhì)

鐵路局站—博物館站區(qū)間里程SK9+973.330～SK10+818.407，區(qū)間全長 845.077m，全部為既有7381隧道利用段。該區(qū)間位于西大直街路下，場(chǎng)地地形略有起伏，地面高程在135.34～138.59m，場(chǎng)地地貌單元屬崗阜狀平原。

隧道主要穿過粉質(zhì)④1 t2、④1、④2粘土層，④2t2、④2t2粉砂層，④2 t粉土層等。圍巖級(jí)別均為Ⅵ級(jí)，土石可挖等級(jí)均為Ⅱ級(jí)。結(jié)構(gòu)頂板附近均為粉質(zhì)粘土層，側(cè)墻附近均粉砂層、粉質(zhì)粘土層等。

地下水位于結(jié)構(gòu)底板附近，水位低于結(jié)構(gòu)底板，施工時(shí)應(yīng)注意地下水的防治工作［5-7］。同時(shí)局部地段上部土層由于管線泄露存在上層滯水，會(huì)對(duì)區(qū)間隧道造成災(zāi)害。場(chǎng)地水對(duì)混凝土無腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)有弱腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋無腐蝕性。

單邊擴(kuò)挖法（CD工法）施工，先破除側(cè)墻混凝土并及時(shí)施作初期支護(hù)，后破除仰拱及填充混凝土并及時(shí)施作初期支護(hù)，初期支護(hù)與7381隧道結(jié)構(gòu)間應(yīng)及時(shí)封閉成環(huán)，確保安全。

2 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

2.1 確定滲流源

在對(duì)隧道地表監(jiān)測(cè)的過程中，除了在道路邊緣沿線進(jìn)行布點(diǎn)外，還需在十字路口或轉(zhuǎn)盤等重要位置重點(diǎn)監(jiān)測(cè)［8］。在對(duì)哈爾濱地鐵七標(biāo)段鐵路局站—博物館站區(qū)間地表沉降的監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)西大直街與海關(guān)街的交叉口處有兩點(diǎn)（D3、D6）沉降速率突然加大。認(rèn)真分析，重復(fù)測(cè)量后確定，此兩點(diǎn)沉降速率達(dá)到1.0mm/h和1.5mm/h。在查閱相關(guān)工程資料后，初步判斷為管線泄露造成，并隨即加密布點(diǎn)。如圖1所示，圖中 D10、D11、D12、D13為加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其余各點(diǎn)為常規(guī)監(jiān)測(cè)的部分點(diǎn)。其中 D4、D5里程為 SK10+507.325，與隧道拱頂沉降和隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本處于同一豎直斷面上，D4與 D5、D3間隔為3m，D10與其周圍四點(diǎn)均相距1.5m。

圖1 地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.1 The surface subsidence monitoring point arrangement plan

加密布點(diǎn)完成取得初始值，監(jiān)測(cè)頻率為1次/h，8h后改為1次/2h，在93h內(nèi)地表累計(jì)沉降如圖2所示，圖中為了描述清晰采用間隔4h的曲線圖。

圖2 地表沉降變化曲線Fig.2 The ground surface settlement curve

從圖中可以看出累計(jì)沉降最大的為D10，其次為D12點(diǎn)，可確定滲漏點(diǎn)在D10附近靠近D12的位置。準(zhǔn)確位置確定后，精確開挖，發(fā)現(xiàn)為地下輸水管線開裂造成水的涌出。

2.2 滲流對(duì)地表的影響

從圖2可以得出，D10在 50h后，超過警戒值24mm，隨后 D12、D3也超過警戒值，D3、D10、D12在75h后超過允許沉降值30mm，緊接著 D13、D6也超過警戒值，并且D11也逼近允許沉降值，且沉降速率加快。從圖2中可知，滲流方向大致為D10附近流向D13。經(jīng)分析，非飽和砂土在水的作用下強(qiáng)度降低，并隨后趨于穩(wěn)定，并在周圍土體穩(wěn)定性改變時(shí)發(fā)生二次應(yīng)力重分布，導(dǎo)致沉降速率再次加快，圖中20～40h有一段平緩期，隨后又繼續(xù)快速沉降，在80h后又趨于穩(wěn)定。

日常監(jiān)測(cè)這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量均小于1cm，此次滲漏引起的沉降已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了隧道施工引起的地表沉降，通過及時(shí)監(jiān)測(cè)可快速確定相應(yīng)措施。

3 滲流對(duì)隧道拱頂沉降的影響分析

3.1 隧道開挖及支護(hù)

鐵博區(qū)間隧道位于西大直街道路下，采用單邊擴(kuò)挖法（CD工法）施工，先破除側(cè)墻混凝土并及時(shí)施作初期支護(hù)（圖3、圖4），后破除仰拱及填充混凝土并及時(shí)施作初期支護(hù)，初期支護(hù)與7381隧道結(jié)構(gòu)間及時(shí)封閉成環(huán)，確保安全。

3.2 隧道拱頂沉降

西大直街與海關(guān)街交叉處隧道實(shí)際埋深16.5m，監(jiān)測(cè)布點(diǎn)間距為10～15m，其中位于海關(guān)街下的拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)為 G33（里程為 SK10+493.081）、G34（里程為SK10+507.453）和 D35（里程為 SK10+522.617）。地下輸水管線破裂時(shí)，隧道已經(jīng)完成隧道邊墻的破除，并且及時(shí)完成初期支護(hù)（圖4）。水平凈空收斂點(diǎn)處于拱腰位置。

圖3 隧道邊墻破除監(jiān)測(cè)示意圖Fig.3 Tunnel wall broken monitoring arrangement plan

圖4 施作邊墻支護(hù)完成監(jiān)測(cè)示意圖Fig.4 Sidewall supporting completed monitoring arrangement plan

圖5 泄露發(fā)生后隧道拱頂各點(diǎn)累計(jì)沉降值Fig.5 Total settlement values of tunnel vault point after the leakage

通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)地表沉降加快前，隧道拱頂沉降變化幾乎為零［9］，說明沉降基本穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)地表沉降加快后及時(shí)加大監(jiān)測(cè)頻率加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)（新增點(diǎn) G33-1、G33-2、G34-1、G34-2），并在管線修復(fù)后繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各點(diǎn)累計(jì)變化值如圖5所示。為避免重疊，選取其中G33、G34、G35三點(diǎn)進(jìn)行描述，其曲線變化趨勢(shì)如圖6所示。從圖中可以看出，從滲漏發(fā)生四天內(nèi)最大累計(jì)沉降達(dá)到0.35cm。

圖6 泄露發(fā)生后隧道拱頂沉降變化圖Fig.6 Tunnel vault settlement change chart after the leakage

4 滲流對(duì)隧道凈空收斂的影響

隧道凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)與拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)處于同一橫截面，布置圖如圖3、圖4所示。同樣加密布點(diǎn)。在凈空變位采用相對(duì)水平收斂值，每次進(jìn)行收斂量測(cè)時(shí)都參考測(cè)量環(huán)境溫度的影響。修正溫度的參考計(jì)算公式為：ΔLc=K×ΔT×L。在 TB33、TB35這個(gè)區(qū)間內(nèi)，位于中間的TB34水平凈空收斂值變化最大，累計(jì)變化達(dá)到0.70cm，如圖7、圖8所示。

圖7 泄露發(fā)生后隧道凈空收斂累計(jì)值Fig.7 Tunnel head room convergence accumulative total value after the leakage

通過對(duì)比圖6和圖8可知，水平凈空收斂開始快速變化要晚于隧道拱頂?shù)淖兓?，具有一定量的滯后性，這里可以看出滯后約12h，當(dāng)管線修復(fù)后，水流停止，拱頂先與隧道拱腰趨于穩(wěn)定，此時(shí)隧道拱腰穩(wěn)定滯后約16h。滯后時(shí)間長短與地質(zhì)條件和水流量大小有關(guān)。

圖8 泄露發(fā)生后隧道凈空收斂變化圖Fig.8 Tunnel headroom convergence change chart after the leakage

5 結(jié)論

（1）加密布點(diǎn)監(jiān)測(cè)可以快速有效精確找出城市道路下地鐵隧道地表突發(fā)沉降的具體位置，減小路面大面積開挖帶來的影響。

（2）地鐵隧道開挖過程中，隧道地表沉降不一定小于拱頂沉降，具體關(guān)系應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

（3）隧道CD法施工中，雖然有鋼支撐存在，如不及時(shí)找出源頭，仍會(huì)造成拱頂沉降和水平凈空的顯著變化，直至對(duì)結(jié)構(gòu)造成損害。在拱頂沉降發(fā)生變化的72h內(nèi)，隧道拱頂最大沉降達(dá)到0.35cm，隧道水平凈空收斂達(dá)到0.70cm以上。

（4）泄露發(fā)生后，拱頂沉降先發(fā)生異常變化，隧道水平凈空收斂在約12～24h后才發(fā)生顯著變化。當(dāng)泄露消失后，隧道拱頂先趨于穩(wěn)定，拱腰在約16～28h后趨于穩(wěn)定。這與流量、流速和地質(zhì)條件等因素有關(guān)。

［1］黃俊，張頂立.軟土隧道拱頂與地表沉降關(guān)系研究［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，29（1）：36-40.HUANG Jun，ZHANG Dingli.Study on relation between crown and ground settlement above weak tunnel［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2005，29（1）：36-40.

［2］李鵬飛.海底隧道圍巖穩(wěn)定性分析與控制研究［D］.北京：北京交通大學(xué)申請(qǐng)博士論文，2011.LIPengfei.Study on stability analysis and control of subsea tunnel surrounding rock［D］.Beijing：Beijing Jiaotong University applies for the doctoral dissertation，2011.

［3］鄭余朝.三孔并行盾構(gòu)隧道近接施工的影響度研究［D］.成都：西南交通大學(xué)申請(qǐng)博士論文，2006.ZHENG Yuzhao.Study on the inf1uenee degree of adjacent construction of three parallel shied tunnels［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University applies for the doctoral dissertation，2006.

［4］楊平，覃衛(wèi)民，楊育，等.密集建筑群下大斷面隧道施工反饋分析及安全性控制研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（4）：795-803.YANG Ping，TAN Weimin，YANG Yu，et al.Study of feedback analysis and safety control of large-section tunnel excavation under intensive buildings［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（4）：795-803.

［5］梁巍，黃明利.大跨度隧道CRD法穿越含水軟弱層沉降變形控制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（2）：3738-3741.LIANGWei，HUANG Mingli.Subsidence and deformation control of large-span tunnel in water-bearing unfavorable geological conditions with CRD method［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26（2）：3738-3741.

［6］胡綺琳.地下水對(duì)地鐵工程影響及防治對(duì)策研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)申請(qǐng)碩士論文，2009.HU Qilin.Study on the metro construction about ground water and the control measure［D］.Guangzhou：South China University of Technology applies for the degree of master，2009.

［7］熊啟東，胡俊強(qiáng)，李成芳.水位和覆土厚度對(duì)不同形式過江隧道的影響［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（2）：1578-1583.XIONG Qidong，HU Junqiang，LI Chengfang.Influence of water level and soil thickness on different types of underwater tunnel［J］.Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2010，6（2）：1578-1583.

［8］余學(xué)彥.考慮流固耦合的城市隧道施工穩(wěn)定性及地表沉降分析［D］.南京：河海大學(xué)申請(qǐng)碩士論文，2006.YU Xueyan.Analysis of stability and ground surface subsidence in the course of city tunnel construction considering the effect of fluid-solid coupling［D］.Nanjing：Hohai University applies for the degree ofmaster，2006.

［9］張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預(yù)測(cè)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（10）：1703-1707.ZHANG Dingli，HUANG Jun.Analysis and prediction of vault crown settlement in metro tunneling at shallow depth［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24（10）：1703-1707.