地鐵隧道施工鄰近地下管線沉降分析

姚元 白國(guó)飛

一、引言

隧道是相對(duì)于地面建筑有明顯區(qū)別的地下結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)在其勘探、設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)營(yíng)全壽命期間均處于地下應(yīng)力場(chǎng)環(huán)境中。在施工中，隨著隧道內(nèi)長(zhǎng)期承受固結(jié)應(yīng)力的巖土體被挖除，巖土體受開(kāi)挖影響進(jìn)行應(yīng)力重分布，由于巖土體的流變效應(yīng)，其變形和壓力均隨時(shí)間而發(fā)生變化。若是未受到約束，受擾動(dòng)部分巖土體的位移會(huì)一直持續(xù)，直到隧道破環(huán)在頂部巖土體坍塌形成“塌落拱”。

近年我國(guó)在隧道工程領(lǐng)域，越來(lái)越多的地下結(jié)構(gòu)在土體中修建，土質(zhì)隧道開(kāi)挖的圍巖穩(wěn)定性越來(lái)越受到工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。土體的工程性質(zhì)差于巖體，表現(xiàn)為應(yīng)變大，強(qiáng)度低，承載能力低。

在土質(zhì)隧道研究領(lǐng)域，袁冉等針對(duì)典型的砂土和軟黏土，通過(guò)ABAQUS進(jìn)行淺埋土質(zhì)隧道開(kāi)挖施工的二維有限元分析以及并采用離心機(jī)試驗(yàn)，探討了控制土體初始強(qiáng)度各向異性和非共軸特性的各參數(shù)對(duì)隧道開(kāi)挖引起地表土體沉降的影響。黃俊等通過(guò)對(duì)淺埋圓形隧道中具有獨(dú)立受力狀態(tài)的兩組計(jì)算模型進(jìn)行分析，分別給出兩組模型在彈性和彈塑性狀態(tài)下應(yīng)力、應(yīng)變和位移解析，從而提出計(jì)算地層損失率的彈塑性方法。此外，王清標(biāo)等利用監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)施工相結(jié)合深入分析膨脹土沉降和變形，對(duì)隧道施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，探究隧道控制沉降變形措施。

本文以南昌地鐵三號(hào)線鄧埠站1號(hào)出入口暗挖隧道為例，對(duì)出入口隧道暗挖施工期間的管線沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析現(xiàn)有措施下隧道暗挖施工的鄰近地下管線沉降特征。

二、工程概況

在鄧埠站附屬1號(hào)出入口暗挖隧道工程范圍內(nèi)，其地層主要以具有二元結(jié)構(gòu)，沉積物粗細(xì)變化顯著的河流沖積層為主。地層巖性均表現(xiàn)出由上部粘性土逐漸過(guò)渡到下部的非粘性土（砂土）的變化特點(diǎn)，巖土地層自上而下逐漸變得密實(shí)，施工全范圍內(nèi)未見(jiàn)軟弱層。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘探，將施工場(chǎng)地地層自上而下劃分為填土層、粘土層、砂土層（中砂、粗砂、礫砂）以及泥質(zhì)粉砂巖層。在施工階段，1號(hào)出入口范圍內(nèi)因不存在地下水不需考慮降水問(wèn)題，僅考慮施工場(chǎng)地面排水措施。

三、施工監(jiān)測(cè)方案

本隧道在施工期間堅(jiān)持每日對(duì)管線、樁頂?shù)戎匾课贿M(jìn)行進(jìn)監(jiān)測(cè)，采取動(dòng)態(tài)施工，及時(shí)糾偏。隧道采用CRD工法施工，全長(zhǎng)23.60m。開(kāi)挖前在隧道拱頂及兩側(cè)2m范圍內(nèi)采用WSS工法深孔注漿，采用超前大管棚注漿加固，防止拱頂下沉，并沿拱頂輪廓線打設(shè)超前小導(dǎo)管注漿加固。

如圖1所示，在出入口隧道上部按開(kāi)挖方向依次分別為Φ500污水管、Φ1500雨水管、Φ800給水管以及國(guó)防軍纜，其中國(guó)防軍纜為PVC管材，其它為砼管。出入口隧道暗挖施工階段管線沉降的監(jiān)測(cè)方案為：在四種管線位于隧道拱頂及拱部左右側(cè)分別布置一個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，特別的，國(guó)防軍纜、污水管線和雨水管線分別在拱部左右側(cè)之外5 m分別布置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。

圖1 鄧埠站附屬1號(hào)出入口管線分布結(jié)構(gòu)剖面示意圖

雨水管線和污水管線頂部地面受到社會(huì)車輛及行人荷載作用，給水管線和國(guó)防軍纜位于車站東側(cè)施工便道下，無(wú)社會(huì)車輛通行。故Φ800給水管道允許沉降控制值為10mm，Φ1500雨水、Φ500污水管變形控制允許沉降控制值為20mm。

四、管線沉降分析

在鄧埠站附屬1號(hào)出入口隧道暗挖階段，其上部既有管線群的沉降量如圖2所示。需要說(shuō)明的是，管線沉降—時(shí)間關(guān)系圖上斜率為正時(shí)表示管線發(fā)生向下位移，斜率為負(fù)表示管線發(fā)生向上位移。根據(jù)鄧埠站附屬結(jié)構(gòu)工程資料可以得知，針對(duì)于鄧埠站附屬1號(hào)出入口暗挖工程，開(kāi)始建設(shè)前18天為1、2號(hào)導(dǎo)洞開(kāi)挖，后9天為3、4號(hào)導(dǎo)洞開(kāi)挖，開(kāi)挖總歷時(shí)27天。

圖2 管線沉降量示意圖

通過(guò)圖2和表1對(duì)各種管線在出入口隧道暗挖施工全階段產(chǎn)生沉降量進(jìn)行分析，可以得到隧道上部管線沉降具有以下規(guī)律：

（1）隧道開(kāi)挖對(duì)管線沉降的影響是有一定范圍限制的，在開(kāi)挖施工中，掌子面距離管線超過(guò)一定距離后施工對(duì)管線沉降的影響可以忽略不計(jì)。如圖2所示，在施工前6天管線沉降可以忽略不計(jì)，其普遍沉降量均在0.5 mm以內(nèi)，只有國(guó)防軍纜（PVC）沉降量稍大；其中給水管線、國(guó)防軍纜、雨水管線、污水管線分別在距施工結(jié)束前5天、4天、3天、3天內(nèi)沉降量基本保持不變。

（2）在隧道開(kāi)挖施工對(duì)鄰近管線沉降變化的時(shí)空效應(yīng)中，隧道開(kāi)挖的空間效應(yīng)對(duì)上部管線沉降的影響程度大于時(shí)間效應(yīng)對(duì)上部管線沉降的影響。由表1可知，在1、2號(hào)導(dǎo)洞貫穿（第18日）時(shí)，上部管線的沉降量為總沉降量的一半左右，給水、國(guó)防、雨水和污水管線在18日的沉降量分別占總沉降量的59%、54%、48%和61%。

（3）管線沉降速率與其下部的隧道截面寬度有關(guān)，沉降速率隨截面寬度增加而增加。由表1結(jié)合圖2可得，在隧道暗挖施工階段，給水管線沉降速率在前18日為0.207 mm/d，后9日沉降速率為0.358 mm/d，國(guó)防軍纜和雨水管線前18日沉降速率分別為0.282 mm/d和0.217 mm/d，后9日沉降速率分別為0.532 mm/d和0.549 mm/d，且后9日管線沉降速率比前18日沉降速率快兩倍左右。

表1 管線沉降分析表

隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近不同條件（管徑、材質(zhì)、埋深、環(huán)境）下的地下管線沉降影響是各不相同的，對(duì)各類管線沉降量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)取均值并繪制管線沉降量均值示意圖（圖3），通過(guò)分析得出規(guī)律如下：

（1）剛度大的管線比剛度小的管線受影響程度小。由圖3可知，因?yàn)镻VC管材剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砼管，在四種地下管線中，與給水、污水和雨水管線（砼管）相比，國(guó)防軍纜（PVC）的沉降量受隧道開(kāi)挖影響最大，最大沉降量可達(dá)10.02 mm。

圖3 管線沉降量均值示意圖

（2）在材料、環(huán)境相同的情況下，直徑大的管線比直徑小的管線受影響程度小。污水管線和雨水管線底部到隧道頂部的距離相近，上方路面均有車輛及人行荷載，但是污水管線最大沉降量均值為4.40 mm，雨水管線為8.15 mm，相差1.85倍。

在隧道暗挖施工全過(guò)程中，由圖2可得，給水管線最大沉降量為6.95 mm，沉降量允許控制值為10 mm，雨水管線最大沉降量為10.62 mm，污水管線最大沉降量為6.31 mm，沉降允許控制值為20 mm；這三種管線最大沉降量分別只到沉降允許控制值的69.50 %、53.10 %和31.55 %，表明在出入口暗挖施工階段采取的管線沉降控制措施取得了良好的效果。

五、結(jié)論

在地鐵出入口隧道施工發(fā)生土體豎向位移對(duì)鄰近地下管線有不利影響，使其產(chǎn)生沉降。在本工程通過(guò)地面袖閥管采用WSS工法深孔注漿，超前大管棚注漿加固以及超前小導(dǎo)管的措施下，對(duì)淺埋暗挖情況下鄰近地下管線的沉降特征分析，主要有以下結(jié)論：

（1）隧道開(kāi)挖對(duì)管線沉降的影響是有一定范圍限制的，掌子面距離管線超過(guò)一定距離后施工對(duì)管線沉降的影響可以忽略不計(jì)。

（2）在隧道開(kāi)挖施工對(duì)鄰近管線沉降變化的時(shí)空效應(yīng)中，隧道開(kāi)挖的空間效應(yīng)對(duì)上部管線沉降的影響程度大于時(shí)間效應(yīng)對(duì)上部管線沉降的影響。

（3）管線沉降速率與其下部的隧道截面寬度有關(guān)，沉降速率隨截面寬度增加而增加。

（4）隧道開(kāi)挖對(duì)鄰近不同條件（管徑、材質(zhì)、埋深、環(huán)境）下的地下管線沉降影響是各不相同的。剛度大的管線比剛度小的管線受影響程度?。辉诓牧?、環(huán)境相同的情況下，直徑大的管線比直徑小的管線受影響程度小。