地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近管線的影響分析

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(dòng)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(duì)地下管線的影響涉及到兩個(gè)方面[3].①隧道圍巖受施工擾動(dòng)的影響范圍和受擾動(dòng)作用后土層的形變與穩(wěn)定性；②施工擾動(dòng)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(duì)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(guò)程中埋管的安全狀態(tài)，提出了管線安全性評(píng)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(dòng)對(duì)地下管線的影響，認(rèn)為管線和盾構(gòu)隧道之間的相對(duì)距離越小，施工擾動(dòng)對(duì)埋管的影響越大，當(dāng)管線埋深一樣時(shí)，剛度越大，管線產(chǎn)生的形變?cè)叫?，由此帶?lái)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(duì)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(hào)線工程分析了隧道施工對(duì)埋管的擾動(dòng)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(duì)地下管線受力和變形產(chǎn)生的影響，預(yù)測(cè)了盾構(gòu)施工時(shí)埋地管線的變形情況.

1 工程概況

大連地鐵二號(hào)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(zhǎng)為2.9 km，盾構(gòu)施工長(zhǎng)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(pán)外徑為6.4 m，盾殼外徑為6.34 m.盾殼長(zhǎng)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(guò)實(shí)測(cè)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(zhǎng)×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(guò)程中地面施加20 kPa的均布荷載，模型共劃分85 248個(gè)單元.數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示.整個(gè)模型先開(kāi)挖右線隧道，再開(kāi)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(shí)距監(jiān)測(cè)斷面Y=18 m不同距離時(shí)的地表沉降曲線.由圖可見(jiàn)：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(kāi)挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，最大沉降值為3.4 mm，盾殼通過(guò)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(cè)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(shí)距監(jiān)測(cè)斷面Y=18 m不同距離的地表沉降曲線.由圖可見(jiàn)：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(cè)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(guò)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(shí)曲線圖.由圖可見(jiàn)：隨著右線隧道掘進(jìn)施工，右線頂部地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)3迅速發(fā)生沉降變形，后期逐漸平衡，中央監(jiān)測(cè)點(diǎn)2迅速發(fā)生沉降，但是沉降值小于監(jiān)測(cè)點(diǎn)3，左線隧道頂部監(jiān)測(cè)點(diǎn)4發(fā)生少量沉降變形.左線隧道施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)點(diǎn)4迅速發(fā)生沉降變形，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2產(chǎn)生疊加變形，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3受到新的擾動(dòng)，發(fā)生少量沉降變形.

圖4 沉降歷時(shí)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(shí)燃?xì)夤艿某两翟茍D，圖6為左線隧道貫通時(shí)的燃?xì)夤艿某两翟茍D.由圖可見(jiàn)：右線隧道貫通，燃?xì)夤茏畲蟪两抵禐?0.1mm，左線隧道貫通時(shí)，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(shí)，管線的沉降曲線，從圖中可以看出，右線隧道貫通時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)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(duì).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(chǔ)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(duì)大連地鐵二號(hào)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(guò)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(kāi)挖面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，最大沉降值為3.4 mm，盾殼通過(guò)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(duì)變平緩.右線隧道貫通時(shí)，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(shí)時(shí)略有減小;

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