暗挖隧道施工對既有管線沉降影響的數(shù)值模擬研究

鄒至橋

（重慶市鐵路（集團）有限公司，重慶 400020）

0 引言

地鐵暗挖隧道施工沉降過大造成的管道線路破壞，很多是由于土的變形，致使管道線路變形并破壞。施工時的機械設(shè)備及人工挖掘都會造成地層擾動[1-3]。開挖后，地層中部分土體被挖空，長期穩(wěn)定的土層形成臨空狀態(tài)，會誘發(fā)松散圍巖和土體產(chǎn)生變形，在地質(zhì)條件不變的情況下，開挖體積越大，臨空界面越大、越高，圍巖和土體產(chǎn)生變形的幾率越大，且變形的范圍越廣[4-6]。開挖隧道導(dǎo)致地表的沉降，與當?shù)氐牡叵滤S富程度、是否存在斷層、巖土體的強度、作業(yè)時采取的開挖支護方式等因素有關(guān)。這些因素都可以在模擬和實際施工中加以考慮。本文利用FLAC3D軟件對暗挖隧道施工工程進行數(shù)值模擬，研究施工對既有管線沉降的影響。

1 工程概況

如圖1 所示，北京地鐵7 號線東延線整體為東西走向，是地下線路。其中小馬莊站是東側(cè)起的第三個車站，位于萬盛南街與規(guī)劃道路的交叉道口東南側(cè)。小馬莊站北側(cè)是交通導(dǎo)改之后的萬盛南街臨時道路。道路的西北側(cè)存在一個小區(qū)，小區(qū)內(nèi)距離車站較近的建筑物為一棟中高層寫字樓和兩棟中高層住宅樓。車站施工區(qū)域正北側(cè)沒有其他建筑，是未開發(fā)的空地。車站南側(cè)規(guī)劃有建設(shè)項目，目前為空地，尚未進行施工。

圖1 線路走向與工程位置

根據(jù)施工前期的排查結(jié)果，繪制出圖2中管線和暗挖隧道之間位置關(guān)系俯視圖。其中下側(cè)的水平開挖結(jié)構(gòu)為暗挖隧道，從右向左開挖。該暗挖隧道的上方水平面內(nèi)，有兩條原有的管線，隧道的開挖方向與管線的鋪設(shè)方向垂直。

圖2 管線與隧道的位置俯視圖

暗挖隧道采用臺階法進行開挖。施工完畢后進行初期支護，支護結(jié)構(gòu)為最外層150mm×150mm的鋼筋網(wǎng)上噴射30cm厚的C25早強混凝土，快速達到支護強度。另外包括50mm厚的防水層，同時外側(cè)和內(nèi)側(cè)均有直徑20mm的縱向連接筋，環(huán)向間距為1.0m，內(nèi)側(cè)為添加二次襯砌時制模施作的抗?jié)B等級為10的C40混凝土。

2 數(shù)值模擬分析

應(yīng)對不同地質(zhì)條件和不同材料的計算問題，F(xiàn)LAC3D軟件優(yōu)勢明顯，可以用于模擬分析建筑的地基、礦山的巷道、工程的坡道、隧洞、建筑整體的施工等。進行軟件分析時，能夠調(diào)取內(nèi)部設(shè)置的近20種彈性和塑性模型，能夠?qū)Σ牧现羞M行的開挖、土體的徐變流變、礦山深部的巖爆、地震等多種工程活動進行模擬。

2.1 隧道變形模擬結(jié)果分析

隧道開挖時，底部區(qū)域出現(xiàn)的隆起現(xiàn)象，是由于暗挖施工的擾動，打破了隧道底部原狀土的平衡狀態(tài)，和拱頂區(qū)域土體發(fā)生沉降的原理相反，開挖施工使得覆蓋在底部土體之上的土體被挖除，底部土體之上原本向下的應(yīng)力被解除，向上方向的應(yīng)力就會造成土體發(fā)生隆起現(xiàn)象。根據(jù)模擬結(jié)果，在隧道穿過管線正下方之后、開挖至該研究段的邊界時，隧道本身結(jié)構(gòu)的變形量達到最大。模擬計算的隧道頂部結(jié)構(gòu)變形結(jié)果如圖3所示，其中拱頂部分的沉降量為14.07mm，底板隆起高度為17.50mm。

圖3 隧道結(jié)構(gòu)計算云圖

2.2 管線沉降模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬的管線沉降計算結(jié)果，繪制出研究段內(nèi)隧道施工造成上方管線發(fā)生沉降量變化的曲線，如圖4所示。其中最大沉降量發(fā)生在開挖至研究區(qū)段邊界時，此時上方管道的沉降量達最大值7.16mm，小于安全限值10mm。

圖4 上水管道豎向沉降模擬數(shù)據(jù)曲線

隧道在開挖時接近管線下方區(qū)域、穿越管線正下方并繼續(xù)開挖至隧道研究段邊界的這一過程中，隧道上方土層和管線受到影響的變化趨勢，僅僅通過管線的沉降量曲線無法體現(xiàn)，因此在模擬結(jié)果中截取了隧道開挖過程中上方管道豎向變形云圖，現(xiàn)沿著隧道的開挖方向截取圖像，如圖5所示。

如果說養(yǎng)老地產(chǎn)硬件的投入比較容易到位，那么投資企業(yè)長久經(jīng)營，提供養(yǎng)老服務(wù)有時可能有心無力。由于開發(fā)養(yǎng)老地產(chǎn)資金回收期較長，投資企業(yè)一般不會考慮長期持有經(jīng)營，這又勢必影響?zhàn)B老地產(chǎn)本身的含金量。在實際運行中，投資養(yǎng)老地產(chǎn)的企業(yè)要量力而行，可考慮開發(fā)和經(jīng)營分開的做法：

分析圖5中的管道沉降變形量隨著施工步序的變化云圖，得到以下結(jié)果：隨著隧道施工的進行，隧道正上方的管線因受到影響而發(fā)生沉降，其影響作用越來越大，隧道正上方的管線處沉降量從施工步序1中的接近0mm開始逐漸增大，施工步序3 中為1.45mm，施工步序5 中為3.02mm。隧道施工的前兩個施工步序中，管道底部的土體存在一定的隆起現(xiàn)象，雖然隧道施工平面上方的整體模型都受到影響而產(chǎn)生微小的沉降，但是存在管道底部土體局部發(fā)生向上的位移，只不過這個向上隆起的位移比較小，被下層及周邊土層的沉降抵消。

圖5 管道沉降變形量隨著施工步序的變化云圖

3 模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

3.1 管道沉降量

本次對暗挖隧道施工進行監(jiān)測的現(xiàn)場點位有兩種，分別是隧道結(jié)構(gòu)自身的沉降量和管道的沉降變形量。

（1）Φ800上水管道豎向沉降量。

通過調(diào)取布置在現(xiàn)場上水管道左側(cè)監(jiān)測點位的數(shù)據(jù)，得到了Φ800上水管道的沉降變形量。在該研究段的下穿過程中，根據(jù)該點位的監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制出圖6。其中上水管道發(fā)生最大沉降量為6.91mm。

圖6 上水管道豎向沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

（2）Φ604高壓燃氣管道豎向沉降量。

根據(jù)施工現(xiàn)場布置在隧道左側(cè)、管線上方監(jiān)測點位的數(shù)據(jù)可繪出Φ604高壓燃氣管豎向沉降量的曲線，如圖7所示。高壓燃氣管道在隧道下穿期間的沉降量最大值為6.96mm。

圖7 燃氣管道豎向沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

3.2 隧道變形現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析

根據(jù)模擬結(jié)果，隧道本身在下穿過程中的最大變形量發(fā)生階段是開挖至研究段邊界時。其中拱頂部分的沉降量為14.07mm，底板隆起高度為17.50mm。而現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果為拱頂沉12.89mm，底板的最大隆起量為15.93mm，模擬計算結(jié)果與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)相比，誤差率分別9.15%和9.86%，滿足要求。模擬計算結(jié)果和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明該模型在目前的設(shè)置條件和施工步序下，對實際中的隧道結(jié)構(gòu)變形計算基本準確。

3.3 管線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析

將上水管道沉降變形的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果放在同一張圖上顯示，如圖8所示。

圖8 上水管道沉降量對比

（2）對比圖5中的模擬結(jié)果，沉降量和現(xiàn)場監(jiān)測值的變化趨勢基本吻合。對比分析11個施工步序作業(yè)結(jié)束后的管線位移量，其中隧道施工初期，沉降量數(shù)量級是0.1mm；其他步序中有4個點位數(shù)據(jù)，兩者之間差值小于0.25mm；施工至邊界時的結(jié)果差值均小于0.25mm。隨著隧道施工的進行，開挖越深，模擬結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差率逐漸減小，最后3個施工步序中，誤差率分別為6.55%、3.28%和3.62%。整體數(shù)據(jù)在精確度上滿足要求。整個模擬結(jié)果基本符合實際沉降量。但是第6和第8個施工步序完成后的管線沉降誤差率為32.64%和14.98%，關(guān)于這兩個施工步序的誤差，還需進一步對比模擬和實際的差異來研究誤差出現(xiàn)的原因。

（3）對比圖8中的現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬的計算結(jié)果，二者的趨勢相同，均為隨著隧道施工的進行，隧道的開挖進深在增大，隧道挖掘立面和管道位置之間的距離在縮短，管道的沉降量會逐漸增大，而現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)符合這一規(guī)律。通過數(shù)值模擬結(jié)果總結(jié)的規(guī)律符合實際情況。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比結(jié)果

分析了工程監(jiān)測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬計算數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)果：

（1）通過比較分析隧道結(jié)構(gòu)和支護結(jié)構(gòu)本身的變形位移，隧道近距離下穿管線施工過程中和下穿管線結(jié)束后的拱頂沉降量、底部隆起量在數(shù)量級上相同，在數(shù)值的量上基本相同，誤差率小于10%，基本準確。

（2）比較分析隧道下穿施工過程管線的最大沉降量實測數(shù)據(jù)為7.16mm，工程中實際監(jiān)測結(jié)果為6.91mm，誤差率為3.62%，基本準確。

（3）整個施工過程中，每一步序完成后的管線位移模擬計算結(jié)果，基本符合實際監(jiān)測情況，但都大于實際監(jiān)測結(jié)果，并且有兩個步序的沉降量誤差率較大，需要改進。

4 工藝改進及重新模擬分析

4.1 改進研究目的

根據(jù)前序研究，施工過程中有兩個問題需要改進。第一個是管線最大沉降的模擬計算結(jié)果，每一施工步序均大于實際監(jiān)測結(jié)果。第二個是第6和第8施工步序的沉降量計算誤差過大。需要針對支護方式和施工工藝進行優(yōu)化，重新建立模型，進行模擬，判斷優(yōu)化改進是否合理。

4.2 支護方式改進

本次下穿施工采用的暗挖臺階核心土法，支護方式為每開挖一個臺階進行一次噴射C25早強混凝土，待施工15m后開挖至研究段的邊界，初步支護全部完成后再一次施作二次襯砌，二次襯砌為C40的混凝土。針對支護方式，做出增加錨桿的改進，如圖9所示。

圖9 錨桿位置

4.3 施工工藝改進

在第一個施工步序時，首先開挖上臺階周邊土體，保留核心土將開挖步距由1.5m修改為1.0m，施工步序由12步增加為16步。同時在支護上臺階時，每開挖1.5m時也要掛設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴射厚度為30cm的C25早強混凝土，改為每開挖1.0m都要進行支護。

4.4 改進后的模擬計算分析

改進后，為方便與改進之前的結(jié)果進行對比，將得到的管線沉降數(shù)據(jù)折算至同為12個步驟。管線沉降量繪制如圖10所示。改進后的模擬沉降量和原模擬結(jié)果對比如圖11所示。

圖10 改進后上水管道沉降曲線

圖11 改進前后管道沉降曲線對比

經(jīng)過分析，優(yōu)化改進有效解決了兩個問題：

（1）改進支護方案與開挖步距之后，重新建立模型計算，結(jié)果是：數(shù)值模擬計算的管線沉降量更精確地貼合了實際監(jiān)測數(shù)據(jù)。

（2）沉降量誤差率明顯減小，其中第6和第8施工步序的沉降量計算誤差率降低至4.12%和6.35%，更準確地符合實際開挖情況。

（3）增加了錨桿支護手段和縮小了臺階開挖步距之后，隧道下穿管線沉降量有所降低。降低最明顯的是隧道施工至管線正下方的三個施工步序，沉降量分別降低了25.10%、24.30%和21.50%。但是這三個施工步序改進前的模擬沉降量范圍是2.17～3.86mm，沉降量數(shù)值較小，降低至1.63～3.02mm，對管線安全的意義不大。

（4）對管線安全影響較大的數(shù)據(jù)指標是最大沉降量，施工至研究段邊界時沉降量較大的兩個施工步序的管線沉降量在一定程度上減小了，分別從6.92mm和7.16mm降低到6.38mm 和6.72mm，降低比例為7.80%和6.14%。雖然改進后計算的結(jié)果對管道的安全更加有利，但是由于該隧道的開挖半徑和深度不大，不屬于大斷面隧道開挖，所以錨桿的支護方式對本次隧道下穿時管線的沉降影響并不大。

（5）從管線的安全角度講，增加錨桿支護和減小臺階步距可以減小管線的最大沉降量，但從人力、財力、材料和工期等角度看，該改善并不劃算，目前的方案已經(jīng)能夠保證管線的沉降滿足安全要求。

5 結(jié)束語

經(jīng)數(shù)值模擬和實際監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，可知隧道施工過程中隧道結(jié)構(gòu)變形量的計算和實測數(shù)值基本相同，模擬得到的管道沉降變化趨勢和實際監(jiān)測變化基本相同，部分數(shù)據(jù)吻合程度較低，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。同時針對兩個誤差較大的問題進行了模型改進研究，主要改進了支護手段和施工工藝。根據(jù)對改進后的模型重新模擬計算的結(jié)果可知，重新模擬計算的管線沉降量有所減小，模擬計算與實際監(jiān)測的數(shù)據(jù)能夠吻合，更能夠保障隧道施工過程中管道的安全，達到了模型改進研究的目的。