淺埋暗挖隧道下穿多管線變形預(yù)測分析

單生彪 劉娉婷

鄧埠站坐落在迎賓大道和陽光路相交匯聚的地方，目前迎賓大道和陽光路為雙向4車道，前者兩側(cè)均為非機動車道。1號出入口位于車站左下側(cè)，地下開挖段穿越交通干道，見圖1。隧道CA段上部設(shè)DN500混凝土污水管1根，埋深3.2m，DN1500混凝土雨水管1根，埋深3.1m， DN800給水管1根，埋深2.5m。

圖1

一、地質(zhì)水文條件

1.地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)鉆探，擬建場地淺部由第四系人工填土和第四系上更新統(tǒng)沖積層組成，沿線第四系下伏基巖為第三系新余組。地下隧道主要位于粉質(zhì)粘土層和中砂層中，見圖2。

圖2

2.水文條件

擬建場地經(jīng)勘探后知存在主要賦存于填土層之中的上層滯水、賦存于砂礫層中松散巖類孔隙水、紅色碎屑巖類裂隙溶隙水。地下開挖隧道結(jié)構(gòu)施工時，開挖深度存在紅色碎屑巖裂隙水。

二、計算方法

隧道開挖引起圍巖擾動，周圍地層發(fā)生不均勻沉降，使地下管線失去原有平衡，出現(xiàn)豎直與水平方向上的位移。如果管線的變形在規(guī)定允許的范圍內(nèi)就不用其它的保護措施，如果變形過大將會造成管線破壞，引發(fā)事故。為了避免出現(xiàn)上述情況，預(yù)測CA斷面中的污水管、雨水管與給水管是否會因為隧道開挖而出現(xiàn)較大變形，利用FLAC3D程序模擬CA斷面處的隧道施工，計算管線埋設(shè)地層的沉降量，然后用經(jīng)驗公式計算管線的變形，判斷各個管線的狀態(tài)。

三、建立計算模型

隧道暗挖通道采用交叉中隔壁法，其總長12.8m。用犀牛建模軟件建立長13m，寬30m，高20m的模型，導(dǎo)入FLAC3D軟件程序進行計算。為了方便建立模型，將施工過程進行了簡化。隧道軸向上分26部分，每部分長度0.5m，每開挖一次，進行初期支護。在進行二襯前，需在初支拱底做50mm的防水層，計算機模型如圖3所示。

圖3

1.地層參數(shù)

結(jié)合南昌地鐵三號線現(xiàn)有地質(zhì)資料經(jīng)過整理后得到表一所示的土層分布與力學(xué)參數(shù)。

表1 模型計算相關(guān)參數(shù)

2.確立計算域

隧道覆土4.725m，高為5.775m，軸向長度12.8m。模型整體尺寸長13m，寬30m，高20m。

3.荷載

建筑物自重與地層壓力所產(chǎn)生的荷載。

（1）建筑物自重：簡化后, 地表建筑物荷載不考慮。隧道結(jié)構(gòu)由自身重度決定。

（2）地層壓力：重力作用產(chǎn)生初始應(yīng)力場，土體構(gòu)造應(yīng)力的影響則不做考慮。

4.邊界條件

四周和底面是模型的固定邊界，自由邊界只有上表面。

5.計算力學(xué)模型

采用Mohr-Coulomb彈塑性模型為計算模型。

6.管線模型與支護結(jié)構(gòu)模型的參數(shù)

管線模型在模型中按照實際情況把管線的位置留出來，再用FLAC3D中的殼體單元建立管線模型計算時本構(gòu)模型采用彈性模型；隧道支護結(jié)構(gòu)主要有混凝土初噴, 架設(shè)鋼格柵, 掛網(wǎng)噴混凝土，形成的初期支護與后期的二次襯砌，計算模型參數(shù)見表2。

表2 管線模型參數(shù)

四、數(shù)值模擬計算結(jié)果

1.管線處的地層沉降

計算選取CA斷面處暗挖隧道豎向中心線與三根管線交叉處的地層位置節(jié)點沉降值，還有這三個對應(yīng)于地面上的位置節(jié)點的沉降值。

由數(shù)值模擬計算，隧道模型經(jīng)過開挖、初支、防水層鋪設(shè)、二次襯砌完成后，污水管埋置處地層沉降最大值為7.45mm，其上部地表位置最大沉降值為5.31mm，詳見圖4；雨水管地層處最大沉降值為4.70mm，其上部地表位置最大沉降值為4.78mm，詳見圖5；給水管埋置處地層沉降最大值為5.38mm，對應(yīng)于地表位置節(jié)點沉降最大值為6.10mm，詳見圖6。

圖4 污水管埋置處地層與其對應(yīng)地表處的沉降曲線

圖5 雨水管埋置處地層與其對應(yīng)地表處的沉降曲線

圖6 給水管埋置處地層與其對應(yīng)地表處的沉降曲線

2.管線變形最大曲率計算

污水管與雨水管同為混凝土剛性管，給水管為鑄鐵管，也是剛性管，三者在隧道軸線所在平面的投影皆與軸線垂直。采用Winkler彈性地基模型得：

地基反作用模量

式中d——管道外徑；

Eg——土體彈性模量；

Ep——管道彈性模量；

Ip——管線慣性矩；

Vg——土體泊松比。

取各計算Eg值為18MPa，Vg為0.3，各管線其余計算值如表3所示。

表3 管線計算參數(shù)

沉降槽寬度系數(shù)計算：

表4 管線變形曲率計算相關(guān)參數(shù)

五、計算結(jié)果分析

由表中計算結(jié)果可知，CA段隧道開挖引起的地層變形對管道的影響在允許范圍內(nèi)，污水管與給水管的變形曲率均遠遠小于允許變形曲率，但是雨水管的變形曲率（1.1×10-4）非常接近允許變形曲率（5.56×10-4）。綜合考慮，當加固管線周圍土層。

六、結(jié)語

采用數(shù)值模擬方法對隧道開挖支護進行了模擬，并結(jié)合相關(guān)理論公式，預(yù)測其對地層和管道的影響。通過計算管線的變形曲率，在與國家規(guī)定的管線變形曲率對比得出相應(yīng)的判斷。當管道的計算變形曲率超過要求時，應(yīng)在隧道開挖前采取相應(yīng)的加固措施，確保隧道開挖對管道的影響在允許范圍內(nèi)，使管道能夠正常工作。