城市淺埋暗挖隧道近距離下穿既有管線微擾動(dòng)控制研究

李志剛 潘青

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通壓力日益增長(zhǎng)，使得城市道路的建設(shè)逐步向地下發(fā)展，地下網(wǎng)絡(luò)密布。因此，受線形限制及城市隧道建設(shè)特點(diǎn)的影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)新建隧道以淺埋方式下穿既有建筑、橋梁及市政管線等情況。科學(xué)預(yù)測(cè)評(píng)估隧道施工對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，從而采取合理有效的控制措施，確保既有結(jié)構(gòu)的安全性，已然成為淺埋隧道下穿既有建構(gòu)筑物或管線設(shè)計(jì)施工的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

目前，隧道施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響研究主要采用數(shù)學(xué)解析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，如張林［1］利用Peck 公式疊加法分析了隧道下穿既有矩形頂管隧道的沉降槽曲線特點(diǎn)，并基于沉降槽曲線提出了加固建議；陳志敏等［2］通過(guò)FLAC 3D隧道下穿既有管線模型，對(duì)不同開(kāi)挖方法下的管線沉降規(guī)律展開(kāi)了研究；趙智濤等［3］基于管線周邊地層與地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了地鐵暗埋施工對(duì)上方既有管線周邊地層的變形影響規(guī)律。

基于前人已有的研究成果，本文以深圳東部過(guò)境高速公路連接線工程為依托，結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等手段，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況下，城市淺埋山嶺隧道近距離下穿供水管的微擾動(dòng)控制技術(shù)展開(kāi)研究。

1 工程背景

1.1 工程概況

深圳市過(guò)境高速公路連接線工程地處梧桐山西，分為南、北兩線單向三車(chē)道城市快速路。受地下互通立交線形的限制，南、北隧道在深圳水庫(kù)主大壩下游約200m 處以大角度（80 ～90°）斜交下穿粵港供水二期管，如圖1 所示。該段南、北隧道埋深分別為17.61m 和19.06m，與粵港供水二期管之間的最小凈距分別為10.57m和10.72m。

圖1 隧道平面位置Fig.1 General location map of tunnel

粵港供水二期管已建成約30 年，為城門(mén)洞型無(wú)壓管道，斷面凈空尺寸為3.6m ×3.6m，邊墻為40cm 厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土，拱部一般段為20cm厚鋼筋混凝土預(yù)制板，過(guò)公路段為40cm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，如圖2 所示。管段沿縱向以22m ～25m的間距分布有10mm 寬的結(jié)構(gòu)縫，縫中埋有“U”形銅片止水，并用三油兩氈填縫。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘，發(fā)現(xiàn)粵港供水二期管現(xiàn)存在開(kāi)裂和滲水現(xiàn)象，且局部地段情況較嚴(yán)重。

圖2 粵港供水二期管現(xiàn)狀Fig.2 Ⅱwater pipe for Guangdong and Hong Kong

粵港供水二期管作為香港用水的主要供應(yīng)管線，保護(hù)要求很高，廣東省水利廳文件及相關(guān)要求明確指出二期管段地表沉降允許值≤10mm，下穿二期管隧道拱頂沉降控制值為5mm。

1.2 工程地質(zhì)條件

下穿粵港供水二期管地段自上而下分別為素填土、粉質(zhì)黏土層、全風(fēng)化帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、中風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，如圖3所示。

圖3 南線隧道下穿二期管地質(zhì)縱斷面Fig.3 Longitudinal section of the south tunnel underpassing Ⅱwater pipe

北線巖體裂隙發(fā)育，巖芯破碎，裂隙密集帶密布，隧道圍巖在拱頂位置主要以塊狀強(qiáng)變質(zhì)砂巖為主，洞身段圍巖除部分地段以塊狀強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化變質(zhì)砂巖為主外，其余地段以微風(fēng)化變質(zhì)砂巖為主；南線洞身段圍巖以中風(fēng)化巖、微風(fēng)化巖為主，局部為構(gòu)造巖，拱頂接近強(qiáng)風(fēng)化巖層，地下水有沿構(gòu)造破碎帶定向富集的特征。二期管基礎(chǔ)大部分置于砂卵石層，部分置于全風(fēng)化巖層，局部在強(qiáng)風(fēng)化巖層上，底部經(jīng)過(guò)F10-4斷層。

2 淺埋暗挖隧道設(shè)計(jì)

2.1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)二期管保護(hù)方案，本工程隧道襯砌采用復(fù)合式襯砌輔以超前支護(hù)措施，如圖4 所示，具體隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)列于表1。

圖4 下穿二期管段隧道襯砌斷面（單位： mm）Fig.4 Composite lining for tunnel underpassingⅡwater pipe（unit：mm）

表1 下穿二期管段復(fù)合襯砌參數(shù)Tab.1 Table of composite lining parameters for tunnel underpassing Ⅱwater pipe

2.2 合理選擇隧道施工工法

軟弱地層中隧道開(kāi)挖施工常采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD法、CRD法等。陳志敏等［2］研究發(fā)現(xiàn)相較于三臺(tái)階法和CD 法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法對(duì)地表沉降、隧道變形及管線沉降的控制效果更為顯著。結(jié)合本工程隧道埋深淺、管線變形控制要求高、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，選擇雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，將整個(gè)斷面分為“三大部分，六小部分”進(jìn)行減跨開(kāi)挖支護(hù)（圖5），確保單次開(kāi)挖洞徑小于隧道與二期管間的垂直凈距。每個(gè)導(dǎo)坑開(kāi)挖后應(yīng)立即封閉成環(huán)，盡可能降低隧道開(kāi)挖對(duì)管線的影響。

圖5 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工工序示意Fig.5 Schematic diagram of construction procedure of double-side pilot method

2.3 全斷面注漿預(yù)加固

為滿足二期管線的保護(hù)要求，本工程二期管線管底段采用全斷面帷幕雙漿液注漿，對(duì)管底進(jìn)行注漿加固，加強(qiáng)整體注漿效果，減小隧道施工對(duì)二期管的沉降影響。

全斷面徑向注漿孔按梅花形布置，斷面如圖6 所示，孔徑為52mm，孔口管采用?50mm熱軋無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度1.0m，孔深入巖30m，每排循環(huán)搭接6m 范圍。漿液采用水泥-水玻璃漿液，水泥漿的水灰比為1∶1，擴(kuò)散半徑為2m，初壓0.5MPa ～1.0MPa，終壓2.0MPa。

圖6 全斷面帷幕注漿斷面Fig.6 Cross-section diagram of full-section curtain grouting

3 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計(jì)算模型與材料參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)情況以及南、北隧道與二期管的間距，考慮南線隧道下穿二期管最不利情況，利用有限元分析軟件Midas GTS NX 建立三維模型。本模型長(zhǎng)度以交叉中心點(diǎn)沿隧道走向前后各取50m 確定，模型寬度同樣沿隧道截面中心點(diǎn)向左右各取50m確定，模型底面則由隧道底面向下60m確定，最終模型尺寸為100m ×120m ×100m（長(zhǎng)×寬×高），如圖7 所示。模型底面施加Z方向約束，左右邊界施加X(jué)方向水平，前后邊界施加Y方向約束，模型上方為自由面。

圖7 下穿粵港供水二期管關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)計(jì)算模型Fig.7 Calculation model of tunnel underpassing Ⅱwater pipe for Guangdong and Hong Kong

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察資料和土樣測(cè)試報(bào)告，地層物理力學(xué)參數(shù)及其他計(jì)算材料參數(shù)見(jiàn)表2。并通過(guò)調(diào)整地層物理力學(xué)參數(shù)以模擬隧道下穿二期管段落洞身開(kāi)挖前的超前帷幕注漿加固效果，加固后的地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 地層物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Mechanical parameters of formation

表3 加固參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of reinforced formation

3.2 施工過(guò)程模擬

本次數(shù)值模擬旨在分析隧道施工對(duì)既有管線的影響，故分析工況步主要分為三部分，即初始地應(yīng)力平衡、二期管施工和隧道施工。其中，隧道施工進(jìn)一步細(xì)分為注漿加固、圍巖開(kāi)挖、施做噴射混凝土和錨桿，開(kāi)挖進(jìn)尺設(shè)為14m。

3.3 地面沉降動(dòng)態(tài)分析

施工過(guò)程中的二期管線附近的地表變形情況如圖8 所示。由圖8 可知，在下穿二期管線附近，隨著隧道施工的推進(jìn)，隧道開(kāi)挖的影響范圍逐步擴(kuò)大，而后趨于穩(wěn)定，最終地表變形最大值為2.13mm，滿足下穿二期管線段地表沉降控制值10mm的要求，表明提出的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和管線保護(hù)措施能夠有效控制地表變形。并且地面沉降僅在開(kāi)挖面逐步靠近二期管線的過(guò)程中發(fā)生大幅增長(zhǎng)，當(dāng)開(kāi)挖面經(jīng)過(guò)并逐步遠(yuǎn)離二期管線時(shí)，地面沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 施工過(guò)程中地表變形云圖Fig.8 Surface deformation cloud diagram

3.4 管線位移動(dòng)態(tài)分析

圖9 展示了二期管線在施工過(guò)程中的變形情況，可以看出，隧道開(kāi)挖對(duì)二期管線的變形影響主要集中在距離下穿點(diǎn)左右各30m 范圍內(nèi)。此外，隨著隧道的向前開(kāi)挖，二期管線最大變形所在位置發(fā)生改變，起初變形集中在二期管線的左半部分，當(dāng)開(kāi)挖面逐步向二期管線靠近時(shí)，最大變形所在位置逐漸偏移至管線中部。這一現(xiàn)象表明施工過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和關(guān)注的部位應(yīng)隨施工過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

圖9 施工過(guò)程中管線變形云圖Fig.9 Pipe deformation cloud diagram

結(jié)合二期管線變形量可以發(fā)現(xiàn)，在下穿二期管線附近的隧道段落施工中，二期管線的最大變形值為1.49mm，印證了本管線保護(hù)和隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)管線變形控制的有效性。此外，與地面沉降規(guī)律相似，二期管線的變形主要發(fā)生在開(kāi)挖面逐步靠近二期管線的過(guò)程中，當(dāng)開(kāi)挖面經(jīng)過(guò)并逐漸遠(yuǎn)離二期管線時(shí)，變形量?jī)H發(fā)生小幅增長(zhǎng)，表現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢(shì)。

4 既有管線控制振速

目前，為降低隧道開(kāi)挖爆破對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響，多采用限定單段最大裝藥量的短進(jìn)尺微差爆破技術(shù)，然而，過(guò)小的單循環(huán)進(jìn)尺將顯著降低施工效率，影響工程進(jìn)度，極大地增加了施工成本。此外，針對(duì)粵港供水二期管線這一重要管線，相關(guān)部門(mén)明確要求隧道與二期管線交叉部位及周邊50m范圍內(nèi)禁止爆破作業(yè)，須采用非爆破手段進(jìn)行開(kāi)挖。本工程采用二氧化碳破巖技術(shù)，該技術(shù)利用液態(tài)二氧化碳加熱氣化后釋放氣體膨脹產(chǎn)生的沖擊波向外迅猛推進(jìn)，對(duì)周?chē)橘|(zhì)進(jìn)行沖擊、壓縮及膨脹做功，致使鉆孔周邊巖體破裂。整個(gè)起爆過(guò)程僅需0.4s，屬于物理爆破技術(shù)，具有弱聲波、微振動(dòng)、無(wú)飛石，不污染環(huán)境，無(wú)火花等優(yōu)點(diǎn)，滿足本項(xiàng)目要求。

此外，為有效控制爆破對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響，相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)對(duì)既有建構(gòu)筑物或管線的容許控制振速進(jìn)行了研究與規(guī)定，部分成果如表4 所示。參考相關(guān)案例，考慮新建隧道與上部二期管線最小凈僅有10.57m，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，且二期管線已出現(xiàn)開(kāi)裂和滲水等老化情況，確定二期管線容許爆破振速為2cm／s。

表4 既有結(jié)構(gòu)控制振速［4-8］Tab.4 Limited vibration velocity for existing structure

5 監(jiān)控量測(cè)

5.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

由3.2 節(jié)的分析可知，采用合理的管線保護(hù)措施和隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有效控制地面沉降和二期管線變形，但為保證施工過(guò)程中的安全性，仍需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

本項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)特點(diǎn)在于對(duì)圍巖位移的測(cè)量，即通過(guò)多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)量斷面圍巖位移的分布以及管線處的沉降值，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括拱頂沉降、地表沉降及二期管線振速，具體布置情況如圖10所示。

圖10 穿越粵港供水二期管線隧道監(jiān)測(cè)方案示意Fig.10 Monitoring scheme of tunnel underpassingⅡwater pipe for Guangdong and Hong Kong

5.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1.地表與拱頂沉降

圖11 和圖12 分別為穿越粵港供水二期管線段地表沉降和隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，地表及隧道拱頂沉降均呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后趨于穩(wěn)定的特征，這一規(guī)律與第3 章的數(shù)值計(jì)算結(jié)果一致，均反映了隧道施工對(duì)二期管線的影響階段主要集中于隧道施工初期。

圖11 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.11 Surface subsidence monitoring data

圖12 隧道拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.12 Crown settlement monitoring data

進(jìn)一步觀察圖11 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)進(jìn)行隧道爆破開(kāi)挖時(shí)地表沉降顯著增加。為控制最終地表沉降量不超過(guò)10mm，施工中基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別在累計(jì)沉降超過(guò)6mm 和8mm 時(shí)進(jìn)行地表注漿加固，緩解隧道開(kāi)挖的施工擾動(dòng)。實(shí)踐表明該措施效果較為顯著，最終地表沉降量小于10mm，滿足二期管段地表沉降控制要求。

對(duì)于隧道拱頂沉降，從圖12 中可以發(fā)現(xiàn)右上臺(tái)階及中上臺(tái)階爆破開(kāi)挖開(kāi)始后，累計(jì)沉降曲線出現(xiàn)小幅度上升，經(jīng)分析，該現(xiàn)象可能與隧道支護(hù)措施引起的圍巖應(yīng)力重分布有關(guān)。

2.爆破振速

圖13 整理了隧道爆破開(kāi)挖時(shí)的二期管線振速，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)期間二期管線振速基本在容許爆破振速范圍內(nèi)，僅有少量因爆破藥量較大而略大于2cm／s。綜合二期管線段地表沉降及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)情況，本工程隧道開(kāi)挖爆破方案可有效控制對(duì)二期管線的擾動(dòng)，開(kāi)挖期間地表沉降滿足二期管線段控制要求且二期管線未出現(xiàn)明顯變形或裂縫。需要說(shuō)明的是，由于二期管線的持續(xù)供水作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)元件布設(shè)存在困難，因此，主要采用巡查的形式對(duì)隧道施工期間的二期管線情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖13 二期管線振速Fig.13 Vibration velocity of Ⅱwater pipe

6 結(jié)論

深圳市過(guò)境高速公路連接線工程具有埋深淺、近距離下穿重要保護(hù)管線、地質(zhì)情況復(fù)雜等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)和實(shí)施難度大。本文詳細(xì)地介紹了粵港供水二期管線保護(hù)方案及隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，并得到以下結(jié)論：

1.隧道襯砌、超前支護(hù)與隧道開(kāi)挖方法的合理設(shè)計(jì)能夠有效控制鄰近管線的變形及地表沉降情況，帷幕注漿效果尤為顯著。

2.本項(xiàng)目中，隧道開(kāi)挖對(duì)二期管線的影響范圍主要集中在距離下穿點(diǎn)左右各30m范圍內(nèi)。并且管線最大變形所在位置隨隧道開(kāi)挖的推進(jìn)而改變，施工過(guò)程中重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的部位應(yīng)隨之進(jìn)行調(diào)整。

3.對(duì)于需要在保護(hù)要求較高的結(jié)構(gòu)或管線附近進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí)，可采用二氧化碳破巖技術(shù)，該技術(shù)具有弱聲波、微振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)既有結(jié)構(gòu)及管線的擾動(dòng)較小。