地鐵盾構(gòu)施工對上部管線的影響

蘇智慧

摘要：以中原地區(qū)某地鐵2號線為工程實例，對盾構(gòu)隧道下穿管線進(jìn)行了不同工況的數(shù)值模擬，結(jié)果表明：盾構(gòu)施工階段對周圍的土體以及管線均產(chǎn)生一定的沉降，且管線與隧道的間距越小其沉降越大，管線的直徑越大其沉降越大。為今后的類似工程提供了參考。

Abstract：? Taking a subway line 2 in the Central Plains as an engineering example， the numerical simulation of different working conditions is carried out on the shield tunnel underpasses pipeline. The results show that the shield construction stage has certain settlement on the surrounding soil and pipeline， the smaller the distance between the pipeline and the tunnel， the larger the settlement， and the larger the diameter of the pipeline， the larger the settlement. It provides a reference for similar projects in the future.

關(guān)鍵詞：地鐵盾構(gòu)隧道;數(shù)值模擬;管線沉降;施工措施

Key words： subway shield tunnel;numerical simulation;pipeline settlement;construction measures

中圖分類號：U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）33-0228-02

0? 引言

目前對于盾構(gòu)施工造成土體以及管線的變形問題，國內(nèi)外通常采用兩種方法進(jìn)行預(yù)測：經(jīng)驗方法和數(shù)值分析法[1]。本文采用ABAQUS進(jìn)行三維數(shù)值模擬，用殼單元處理上部管道，模擬盾構(gòu)某段的施工動態(tài)過程，并通過改變模型尺寸和間距進(jìn)行對比，分析地鐵盾構(gòu)過程中對管道的變形影響，通過實際經(jīng)驗以及數(shù)據(jù)分析得到了一些對工程有指導(dǎo)價值的結(jié)論。

1? 工程概況

鄭州市軌道交通 2 號線二期工程土建施工02標(biāo)段，標(biāo)段起訖里程為YDK3+576.6～YDK6+947.3，線路總長3370.7m。

金河路站至黃河迎賓館站區(qū)間起始里程為右Y（Z）DK3+791.100～Y（Z）DK4+995.200（其中ZDK4+403.923=ZDK4+400.00長鏈3.923m），區(qū)間左線長1208.023m，右線長1204.1m。區(qū)間在黃河迎賓館站小里程端設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井，在金河路站大里程端設(shè)置盾構(gòu)接收井，在里程YDK3+950.000（ZDK3+949.042）處設(shè)置1#聯(lián)絡(luò)通道;在里程YDK4+526.000（ZDK4+526.048）處設(shè)置2#聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。

黃河迎賓館西段頭盾構(gòu)機下穿管徑DN500污水管道，深4.58m，管底距離隧道頂部間距為2.51m。

2? 地鐵盾構(gòu)施工對管線的數(shù)值模擬

2.1 材料參數(shù)和有限元模型

本文采用ABAQUS進(jìn)行模擬地鐵盾構(gòu)隧道施工對上部管線的影響。隧道施工引起的上部土體沉降以及由此引起的上方建筑物和管線的潛在破壞因素主要有：①土體自身以及地下水的情況;②隧道的埋深距離與直徑;③施工方法的不同。本次選擇的施工方式為盾構(gòu)法施工，主要選擇管道不同間距以及不同直徑下的工況進(jìn)行分析研究。

盾構(gòu)隧道開挖會造成土體應(yīng)力應(yīng)變的影響，故在距隧道中心軸約3～5倍洞涇的會有較大的影響，大于5倍開挖直徑時，應(yīng)力應(yīng)變變化會降到3%以下[2]。本次模型土體尺寸確定為80*40*30（長*寬*深），管片埋深為7.59m，外徑為6.2m，厚度為0.35m。

污水管管底距離管片頂部間距為2.51m，尺寸為DN500，并選擇直徑為DN1000和間距為1m兩種不同工況進(jìn)行對比分析。管道采用殼單元模擬空心管線，對管線材料的彈性模量按剛度等效原則（EI）實=（EI）空進(jìn)行換算，考慮管線接頭的影響，參考其他人研究[3]管線的彈性模量折減0.5，為12GPa，泊松比0.2。盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)地層土體主要為粉質(zhì)黏土和細(xì)沙，土的本構(gòu)選擇摩爾庫倫模型，主要土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

盾構(gòu)推進(jìn)過程時邊挖邊進(jìn)行注漿，周圍的土體會遭到擾動，土體和漿液的混合體的材料特性難以確定，參考張云[4]等人的研究結(jié)果，采用等代層模型來模擬土體擾動，等代層的厚度可按下式取為：

式中為計算的盾尾空隙，即盾構(gòu)外徑與襯砌外徑之間的差值一半（mm）;？濁為系數(shù)。根據(jù)文[5]對盾構(gòu)法隧道地表沉降的實際值整理論分析結(jié)果，？濁值的范圍可取為0.7～2.0，對硬土層，可取下限，對極軟的土層，可取其上限。對不同土質(zhì)中的盾構(gòu)法隧道而言，其？濁值一般可取為：硬黏土，0.7～0.9;密砂，0.9～1.3;松砂，1.3～1.8;軟黏土，1.6～2.0。因此本模型選擇等代層厚度為0.15m。等代層為水、土以及漿液的混合物，所以它的彈性模量是介于土與水泥之間的，參考其他人[6]的研究，本次模型等代層彈性模量取4.5MPa，泊松比為0.2，密度為周圍土體的1.1倍。

盾構(gòu)管片材料為C50，每環(huán)管片寬度為1.5m，通過考慮管片接頭對結(jié)構(gòu)剛度的影響，將對管片材料參數(shù)進(jìn)行折減，采用齊天龍[7]等人結(jié)果取折減系數(shù)為0.15，主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

2.2 盾構(gòu)開挖對上部污水管的分析

有限元模型首先進(jìn)行地應(yīng)力平和，施加重力加速度，讓土體獲得初始土應(yīng)力消除初始位移，模擬盾掘進(jìn)過程時，按時間步移除土體，并施加土倉壓力防止掌子面處土體坍塌，并激活盾構(gòu)單位、等代層單元和管片單元。計算采用逐步開挖的方式，即每次開挖1.5m，為保證一定計算精度以及減小位移約束對模擬的影響，先模擬拼裝完2環(huán)管片后再進(jìn)行盾構(gòu)開挖，本次考慮到管道和隧道斷面較短以及計算機的運行能力，本次模擬進(jìn)行簡化只模擬開挖7.5m。

通過數(shù)值模擬可知在盾構(gòu)法施工隧道時，管線下沉為29mm，通過參考文[8]的變形結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：在未進(jìn)行盾構(gòu)開挖時，管道的變形較小且整體一致，當(dāng)盾構(gòu)即將到達(dá)上方管線時，管線因隧道開挖的原因產(chǎn)生隆起，在交接面處變形最大且發(fā)生不規(guī)則變形，當(dāng)盾構(gòu)下穿管線時，交界面處開始下沉并達(dá)到最大值。

當(dāng)管片與盾構(gòu)間距縮小為1m時，管線受到施工的影響將變得更大，管線的下沉值達(dá)到35mm。當(dāng)擴(kuò)大管線直徑達(dá)到DN1000時，整個土體以及管線的沉降更加劇烈，管線沉降最大值達(dá)到45mm，具體數(shù)值見圖2和圖3。

3? 結(jié)論

①數(shù)值計算結(jié)果表明：盾構(gòu)下穿污水管時，會造成污水管先上浮再下沉的變化趨勢，沉降最大處于污水管與盾構(gòu)的交接面處，最大沉降值為29mm。②當(dāng)管線和盾構(gòu)的間距越小，管線的變形也就越大，管線與盾構(gòu)頂部間距1m時最大沉降值達(dá)到35mm，當(dāng)管線直徑變大時其沉降值也會變大，DN1000間距1m的最大沉降為45mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉劍.地質(zhì)雷達(dá)在隧道檢測中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2013（11）：91.

[2]張寶良，李大華，徐子方，周冬青，李季佩.基于ABAQUS模型的軌道交通盾構(gòu)施工引起地表沉降分析[J].韶關(guān)學(xué)院學(xué)報，2017，38（06）：54-58.

[3]李園.盾構(gòu)施工地層變形的三維數(shù)值模擬及試驗研究[D].天津大學(xué)，2004.

[4]張云，殷宗澤，徐永福.盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（3）：388-392.

[5]藤田圭一.從基礎(chǔ)工程角度看盾構(gòu)掘進(jìn)法——層的沉降與松動[J].祝國榮，藺安林譯.隧道譯叢，1985（5）：49-63.

[6]羅仕恒.軟土盾構(gòu)施工擾動引起隧道縱向變形研究 [D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2009.

[7]齊天龍.盾構(gòu)掘進(jìn)過程中換刀對周圍土體的穩(wěn)定影響分析 [D].合肥：安徽建筑大學(xué)，2014.

[8]可文海，管凌霄，劉東海，鄧建林，李科，徐長節(jié).盾構(gòu)隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究[J/OL].巖土力學(xué)，2020（01）：1-9.