近接新建地鐵既有污水管道安全性分析

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(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 工程概況

石家莊地鐵1號線市招待所段至北國商城段為左右兩線，區(qū)間隧道上方靠近一既有污水管道，該污水管道底板采用1∶5水泥砂漿砌片石，邊墻采用1∶5水泥砂漿磚砌，污水管已使用60 a。在整條區(qū)段上，污水管道與隧道走向呈一定夾角，角度較小。其中k10+928.290～k10+943.59段區(qū)間隧道靠近地鐵車站，斷面尺寸有所擴大，隧道寬度8.48 m，高度9.37 m。區(qū)間隧道主要穿越粉質(zhì)黏土層和中粗砂層。由于污水管道離隧道較近，且隧道斷面尺寸較大，隧道開挖過程中，污水管可能存在安全風(fēng)險，且受污水管可能的滲水影響，隧道本身開挖過程中也存在穩(wěn)定性問題。污水管道與新建地鐵區(qū)間隧道的位置關(guān)系如圖1所示。

2 有限元模型

為分析新建地鐵隧道開挖過程中既有污水管道的受力狀態(tài)及安全性，利用大型有限元軟件ANSYS建立三維有限元計算模型，對地鐵隧道施工過程進行了數(shù)值模擬[1]。區(qū)間隧道模型尺寸為8.48 m×9.37 m(寬×高)，為減小邊界約束效應(yīng)，計算范圍應(yīng)按左右邊界距離隧道中心線3～5倍的洞徑考慮，底部邊界距隧道底部距離3～5倍的隧道高度考慮。本模型計算范圍：橫向100 m，縱向50 m，下邊界距軌頂面21.5 m。模型上頂面為自由面，其余邊界面均施加法向約束。具體模型如圖2所示。

圖1 污水管道與區(qū)間位置關(guān)系圖(單位：m) 圖2 模型正面圖

3 隧道施工中污水管的安全性分析

為便于分析，將模型中部斷面，即Z=25 m處斷面作為監(jiān)測斷面。同時為消除邊界影響，提取既有管道監(jiān)測面前后各10 m范圍內(nèi)計算數(shù)據(jù)作為分析對象不同工況下，既有污水管底板縱向和橫向應(yīng)力分布情況如圖3、圖4所示。

圖3 左線開挖至監(jiān)測面處污水管底板沿管道縱向、水平橫向應(yīng)力(單位：Pa) 圖4 右線開挖至監(jiān)測面處污水管底板沿管道縱向、水平橫向應(yīng)力(單位：Pa)

根據(jù)計算結(jié)果，當左線隧道開挖開挖至監(jiān)測面位置時，監(jiān)測面前方10 m范圍內(nèi)，縱向拉應(yīng)力值均大于120 kPa，根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，M10水泥砂漿的極限抗拉強度約為220 kPa[2]，考慮到污水管已使用60 a以及可能存在滲水的影響，其極限抗拉強度應(yīng)進行折減50%，研究中按110 kPa考慮?？梢姡诒O(jiān)測面前方10 m范圍內(nèi)，底板縱向拉應(yīng)力值均超過了水泥砂漿的極限抗拉強度，橫向拉應(yīng)力主要集中在底板中部，且在監(jiān)測面處橫向水平應(yīng)力達到最大值160 kPa，也超出了水泥砂漿的極限抗拉強度，因此，左線隧道的開挖過程中，既有污水管的底板存在縱向和環(huán)向開裂的風(fēng)險。

右線開挖至監(jiān)測面時，在監(jiān)測面前方5～10 m范圍內(nèi)縱向應(yīng)力均超出了水泥砂漿的極限抗拉強度。從計算結(jié)果來看，右線隧道的開挖雖然在一定程度上可緩解既有管道結(jié)構(gòu)的受拉程度，但在新建隧道掌子面近區(qū)前方位置既有管道的受拉破壞風(fēng)險仍不能忽視。

不同工況下，既有污水管邊墻縱向應(yīng)力分布情況如圖5、圖6所示。

圖5 左線和右線開挖至監(jiān)測面處污水管右邊墻沿管道縱向應(yīng)力(單位：Pa) 圖4 左線和右線開挖至監(jiān)測面處污水管左邊墻沿管道縱向應(yīng)力(單位：Pa)

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，在新建隧道的開挖過程中，既有污水管邊墻的縱向應(yīng)力分布與底板有明顯不同。當左線隧道開挖至監(jiān)測面位置時，對于既有污水管左邊墻和右邊墻，均會在監(jiān)測面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中。右邊墻在監(jiān)測面位置的縱向拉應(yīng)力達到389 kPa，而左邊墻在監(jiān)測面位置的縱向拉應(yīng)力達到338 kPa，均已超過水泥砂漿的極限抗拉強度。右線隧道開挖至監(jiān)測面位置時，既有污水管邊墻的縱向應(yīng)力分布與左線隧道開挖至監(jiān)測面位置時邊墻的縱向應(yīng)力分布相比，也有所不同。右線開挖至監(jiān)測面位置時，對于左邊墻和右邊墻，均會在監(jiān)測面前方10 m處(而非監(jiān)測面附近位置)出現(xiàn)應(yīng)力集中,縱向應(yīng)力均已超出水泥砂漿的極限抗拉強度，因此左右線隧道的施工會導(dǎo)致既有污水管邊墻環(huán)向拉裂的風(fēng)險。

不同工況下，既有污水管拱部縱向應(yīng)力分布情況如圖7、圖8所示。

圖7 左線開挖至監(jiān)測面處污水管拱部沿管道縱向、水平橫向應(yīng)力(單位：Pa) 圖8 右線開挖至監(jiān)測面處污水管拱部沿管道縱向、水平橫向應(yīng)力(單位：Pa)

對于既有污水管拱部，左線隧道開挖會在監(jiān)測面附近位置出現(xiàn)縱向拉應(yīng)力集中，在監(jiān)測面位置縱向拉應(yīng)力達到796 kPa，已經(jīng)遠遠超出了水泥砂漿的極限抗拉強度，而右線隧道開挖，監(jiān)測面后方10 m位置縱向拉應(yīng)力達到260 kPa，也超出了水泥砂漿的極限抗拉強度。與污水管底板和邊墻不同，拱部的縱向壓應(yīng)力出現(xiàn)在監(jiān)測面前方5～10 m范圍內(nèi)，且壓應(yīng)力值不大。

4 隧道施工中的污水管縱向不均勻沉降

由于新建隧道距離既有污水管道較近，隧道開挖不可避免地會導(dǎo)致污水管縱向產(chǎn)生不均勻沉降，如果不均勻沉降值過大，將嚴重影響既有污水管道的安全。為便于分析污水管縱向沉降規(guī)律，仍將模型中部斷面，即Z=25 m處斷面作為監(jiān)測斷面。同時為消除邊界影響，提取既有管道監(jiān)測面前后各10 m范圍內(nèi)計算數(shù)據(jù)作為分析對象，分別研究既有污水管邊墻、拱部和底板在縱向的沉降分布。

4.1 隧道施工中邊墻的不均勻沉降

既有污水管道右邊墻縱向沉降分布情況如圖9所示。

可以看出，在左線開挖過程中，由于污水管道離左線隧道很近，在左線隧道施工過程中，加固圈靠近管道，受加固圈的影響，左線隧道開挖后，右邊墻整體發(fā)生向上的位移。在監(jiān)測面處位移值最大，約為1.4 cm。管道由于離右線隧道較遠，右線開挖已基本消除加固圈的影響，管道整體開始下沉。監(jiān)測面(上臺階掌子面)后方沉降值較大，前方沉降較小?？v向不均勻沉降值1.3 cm。

4.2 隧道施工中拱部的不均勻沉降

污水管拱部縱向沉降分布情況見圖10所示。

圖9 開挖至監(jiān)測面處污水管右邊墻不均勻沉降(單位：m) 圖10 開挖至監(jiān)測面處污水管拱部不均勻沉降(單位：m)

拱部縱向不均勻沉降的變化規(guī)律與邊墻基本相同。左線施工中，污水管由于離左線較近，受其超前加固的影響，拱部中間位置產(chǎn)生上移，位約為1.4 cm。右線開挖時，由于污水管離右線距離較遠，基本消除了相互影響，掌子面后方沉降較大，前方沉降較小，縱向最大不均勻沉降1.3 cm。

4.3 隧道施工中底板的不均勻沉降

既有污水管底板縱向沉降分布情況見圖11。

圖11 開挖至監(jiān)測面處污水管底板不均勻沉降(單位：m)

底板的縱向不均勻沉降規(guī)律與邊墻和拱部一致，沉降受左線開挖的影響較大。右線的開挖底板最大縱向不均勻沉降1.3 cm。

5 縱向不均勻沉降與縱向應(yīng)力分布的關(guān)系

經(jīng)觀察分析可知，對于污水管底板、邊墻和拱部，縱向不均勻沉降和縱向應(yīng)力的分布變化規(guī)律一致。以底板為例，提取底板路徑上的縱向應(yīng)力和縱向不均勻沉降，不均勻沉降與縱向應(yīng)力分布見圖12、圖13。

圖12 底板縱向不均勻沉降 圖13 底板縱向應(yīng)力

可見，縱向不均勻沉降是導(dǎo)致縱向應(yīng)力調(diào)整的直接原因。對于底板和邊墻，監(jiān)測面前方距監(jiān)測面越遠沉降較小而縱向拉應(yīng)力越大，拱部最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在監(jiān)測面后方，如果能減小由于隧道開挖造成的污水管縱向不均勻沉降，可以有效減小縱向拉應(yīng)力的集中。

6 隧道施工中的穩(wěn)定性問題

由于新建隧道埋深較淺(僅9.3 m)，各土層物理力學(xué)參數(shù)較低，隧道開挖過程中可能存在穩(wěn)定性問題。加上左右兩線隧道距離較為接近(僅15.7 m)，隧道施工過程中左右兩線也存在相互影響問題?，F(xiàn)從隧道開挖的變形響應(yīng)及塑性區(qū)兩方面對隧道穩(wěn)定性進行研究[3]。

6.1 隧道開挖的變形響應(yīng)

左線拱頂沉降、水平收斂和底部隆起與開挖的關(guān)系見圖14～圖16。

左線開挖初期，拱頂沉降值不大，且沉降速率較小，當開挖至監(jiān)測斷面時，拱頂沉降急劇增大，之后沉降速率開始降低至0，左線速到開挖完畢，拱頂沉降穩(wěn)定在3.7 cm。水平位移當開挖至監(jiān)測斷面時開始急劇增大，達到2 cm。之后水平位移速率降低至0，至左線開挖完成，基本穩(wěn)定在2 cm。由于受右線隧道的影響，右線開挖使左線水平位移發(fā)生5 mm。至兩線貫通，左線水平位移穩(wěn)定在2.5 cm左右。底部隆起初期較小，基本為0，當開挖至監(jiān)測斷面時，底部隆起值開始急劇增大，達到14 cm。之后隆起變形速率降低至0，底部隆起至左線開挖完成，基本穩(wěn)定在14 cm。

右線拱頂沉降、水平收斂和底部隆起與開挖的關(guān)系見圖17～圖19。

右線開挖過程初期，拱頂沉降速率較小，當開挖至監(jiān)測斷面時，拱頂沉降急劇增大，之后沉降速率開始降低至0，全線開挖完畢，拱頂沉降穩(wěn)定在3.5 cm。水平收斂初期較小，當左線開挖至25 m時，右線隧道水平收斂受到影響，約為5 mm。當開挖至右線監(jiān)測斷面時，水平位移開始急劇增大，達到2.5 cm。之后水平位移速率降低至0，水平位移至全線開挖完成，基本穩(wěn)定在2.5 cm。右線開挖初期，底部隆起當開挖至監(jiān)測斷面時開始急劇增大，達到13 cm。之后隆起變形速率降低至0，底部隆起至右線開挖完成，基本穩(wěn)定在13 cm。

圖14 左線拱頂沉降與開挖步的關(guān)系 圖15 左線水平收斂與開挖步的關(guān)系

圖16 左線底部隆起與開挖步的關(guān)系 圖17 右線拱頂沉降與開挖步的關(guān)系

圖18 右線水平收斂與開挖步的關(guān)系 圖19 右線底部隆起與開挖步的關(guān)系

6.2 塑性區(qū)

圖20 開挖完成后的塑性區(qū)

最終區(qū)間隧道全部挖通以后隧道塑性區(qū)云圖見圖20。隧道開挖過程中，會在拱腳處出現(xiàn)塑性區(qū)。且范圍較大。左右兩線由于相隔較近，塑性區(qū)在拱腳位置貫通，因此拱腳為開挖過程中的薄弱部位，應(yīng)重點加固。

7 結(jié)論

(1)既有污水管受隧道開挖影響，會產(chǎn)生縱向不均勻沉降，不均勻沉降會導(dǎo)致掌子面前方10 m范圍內(nèi)污水管底板、邊墻和拱部縱向拉應(yīng)力超出水泥砂漿的極限抗拉強度，掌子面前方10 m范圍內(nèi)污水管在隧道施工中存在重大安全隱患。

(2)由于既有污水管縱向不均勻沉降是導(dǎo)致縱向拉應(yīng)力集中的主要原因，施工中應(yīng)控制掌子面前方地層的不均勻沉降。建議超前支護措施改用超前大管棚，管棚長度20 m，掌子面后方污水管也存在一定的安全風(fēng)險，因此建議采用徑向小導(dǎo)管注漿，以改善地層。

(2)區(qū)間隧道開挖過程中，可能受污水管滲水影響，加之兩線隧道距離較近，塑性區(qū)會在隧道中間巖體處貫通，施工中應(yīng)對中間巖體進行加固。

參 考 文 獻

[1]錢家歡，殷宗澤. 土工數(shù)值分析[M]. 北京：中國鐵道出版社，1991.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB5003—2011 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3]朱永全, 張素敏, 景詩庭. 隧道穩(wěn)定性位移判別的概念和劃分[J].河北省科學(xué)院學(xué)報, 1996, 13( 3) : 208-210.