淺埋隧道盾構(gòu)下穿既有市政管道影響分析

陳家財(cái)，趙為磊，王啟濤

（中鐵一局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000）

隨著城市地鐵建設(shè)的迅速發(fā)展，地鐵線網(wǎng)越發(fā)復(fù)雜。密集的地鐵網(wǎng)的建設(shè)中新建盾構(gòu)隧道勢(shì)必穿越既有的管道線路，如何保證新建隧道能夠順利下穿既有管道線路，并確保既有管道線路的結(jié)構(gòu)安全，目前無(wú)法從理論層面，且存在三大核心問(wèn)題，即：既有隧道變形規(guī)律不清楚，控制標(biāo)準(zhǔn)不全面，施工措施不可靠。上述三類(lèi)問(wèn)題是目前隧道領(lǐng)域內(nèi)普遍面臨并急需解決的核心難點(diǎn)[1-3]。

鑒于上述問(wèn)題陳述，以青島地鐵6 號(hào)線江山路為附近路段為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 模擬盾構(gòu)施工過(guò)程，探究施工過(guò)程中新建盾構(gòu)隧道對(duì)既有管路變形的影響，從而更好地指導(dǎo)了施工過(guò)程并為該類(lèi)施工提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

青島地鐵6 號(hào)線江山路兩側(cè)地下水管眾多，埋深約1～3m。附近主要管線有雨水管、砼雨水管、鑄鐵上水管、鋼燃?xì)夤?。地鐵6 號(hào)線江山路區(qū)間段盾構(gòu)施工下穿以上管路，具體下穿區(qū)間與臨近管線關(guān)系如表1 所示，具體位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 下穿區(qū)間與臨近管線關(guān)系示意圖

表1 下穿區(qū)間與臨近管線關(guān)系表

盾構(gòu)下穿既有管路段里程為：ZDK36+364.525～ZDK37+655.262，下穿路段的土層物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示。

表2 土層物理力學(xué)參數(shù)

2 有限元分析

2.1 模型建立

根據(jù)下穿區(qū)間與臨近管線關(guān)系示意圖，采用有限元軟件ABAQUS 對(duì)新建盾構(gòu)隧道下施工建立了簡(jiǎn)易的模型并進(jìn)行了分析計(jì)算，模型尺寸為（50m×30m×50m）（長(zhǎng)×寬×高）如圖2（a）所示。新建盾構(gòu)隧道截面為圓形，頂部8.5m 處存在三道直徑為1m 且間距7m 布置的砼雨水管，在砼雨水管頂5.5m 正交布置直徑為1m 的混凝土管道，模型網(wǎng)格劃分如圖2（b）所示，包含了52062 個(gè)單元。

圖2 計(jì)算模型及整體單元網(wǎng)格劃分圖

盾構(gòu)施工開(kāi)始時(shí)既有隧道和巖土體在重力的作用下均已完成固結(jié)沉降，因此可以認(rèn)為施工過(guò)程中產(chǎn)生的沉降完全是由于新建隧道對(duì)巖土體的擾動(dòng)產(chǎn)生的。新建隧道的盾構(gòu)開(kāi)挖以及注漿漿液的硬化過(guò)程在ABAQUS 中通過(guò)單元生死和彈性模量軟化法來(lái)實(shí)現(xiàn)。既有管道以及盾構(gòu)隧道與周?chē)鷰r土之間的接觸采用面面接觸，考慮混凝土與周?chē)鷰r石之間的滑移與分離。土體和管片僅采用C3D8R 單元進(jìn)行模擬，土的本構(gòu)關(guān)系選用摩爾庫(kù)倫模型，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]～[6]。開(kāi)挖模擬步驟如圖3 所示。

圖3 開(kāi)挖模擬步驟示意圖

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 地層變形結(jié)果

距離地表30m 處存在兩道并行的新建盾構(gòu)隧道，兩隧道同時(shí)施工，通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到盾構(gòu)開(kāi)挖會(huì)對(duì)地表沉降產(chǎn)生影響，計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。分析發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工對(duì)垂直方向上的土體擾動(dòng)較大，與沉降中心線距離越遠(yuǎn)，沉降值越小，沉降規(guī)律符合Peck 曲線特征，曲線呈“V”型。但由于本項(xiàng)目所處地質(zhì)環(huán)境較好，盾構(gòu)施工對(duì)地表土體僅產(chǎn)生10-1mm 量級(jí)的沉降影響，因此本項(xiàng)目施工對(duì)上部既有管線影響較小，較為安全。

圖4 盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降影響

2.2.2 既有管路變形結(jié)果

分析的項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)，在距離地表5.5m 以及8.5m處分別存在正交的砼雨水管道。在地下8.5m有3 道相互平行的砼雨水管道，取中間管道進(jìn)行分析，隨著管片數(shù)增加（即盾構(gòu)施工的進(jìn)行），監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的沉降逐漸線性增加（圖5），研究區(qū)間段施工完畢后產(chǎn)生了0.4mm 的沉降量。沿施工方向?qū)艿莱两底隽朔治鋈鐖D6 所示，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工對(duì)平行管路沉降影響較大，因此在施工過(guò)程中應(yīng)監(jiān)測(cè)與施工方向一致的管路沉降并做好沉降控制措施。

圖5 管道頂部沉降（8.5m）

圖6 施工方向管道沉降

地下5.5m 處管道沉降分析結(jié)果如圖7 所示，盾構(gòu)施工對(duì)該方向管路影響較小，在施工垂直方向影響較大，最大沉降為0.3mm 左右。與沉降中心線距離越遠(yuǎn)，沉降值越小，沉降規(guī)律符合Peck曲線特征，曲線呈“V”型。

圖7 地下5.5m處管道沉降情況

3 結(jié)論

1）本項(xiàng)目所處地質(zhì)環(huán)境較好，盾構(gòu)施工對(duì)地表土體僅僅產(chǎn)生10-1mm 量級(jí)的沉降影響，沉降較小，因此本項(xiàng)目施工對(duì)上部既有管線影響較小，較為安全。

2）盾構(gòu)施工過(guò)程中應(yīng)著重監(jiān)測(cè)與施工方向平行管路的沉降，并做好相應(yīng)的沉降控制措施。與施工方向正交管路的沉降符合Peck 曲線特征，即與沉降中心線距離越遠(yuǎn)，沉降值越小，曲線呈“V”型。