水平定向鉆施工對鄰近隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

姜海剛，柳華榮，司小東

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京市 100088；2.青島地鐵集團(tuán)有限公司，山東 青島 266100；3.青島市地鐵四號線有限公司，山東 青島 266100）

0 引言

自20世紀(jì)70年代以來，水平定向鉆作為一種非開挖敷設(shè)管線技術(shù)，因其不阻礙交通，不影響綠植、景觀，不占用土地等優(yōu)勢，在供水、電力、天然氣、煤氣和石油等管道鋪設(shè)工程中應(yīng)用廣泛。伴隨城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，水平定向鉆技術(shù)發(fā)展迅速，涉及管線穿越河道、基礎(chǔ)和隧道等既有結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目與日俱增，目前針對施工過程中對既有建筑的影響研究并不多見，可以借鑒的工程案例有限，計(jì)算模型建立沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。因此，水平定向鉆施工對既有隧道的影響研究有重要意義。

針對水平定向鉆工程的研究目前主要集中于埋管的線路設(shè)計(jì)和管道的受力分析。梁驍男等[1]對多個(gè)水平定向鉆穿越黃河工程，提出水平定向鉆線路設(shè)計(jì)方法，開發(fā)線路設(shè)計(jì)程序。楊先亢等[2]對比不同的水平定向鉆管道穿越回拖力計(jì)算公式，結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)例，提出各個(gè)公式的應(yīng)用范圍。張官珍等[3]依托焦作供水博愛線，提出水平定向鉆泥漿改進(jìn)方案。董智杰[4]依托水平定向鉆穿越南水北調(diào)中線總干渠工程，針對卵礫石地層，從施工流程各個(gè)步驟出發(fā)，制定合理的施工方案，為類似工程提供參考。劉旺兵[5]依托榕江穿越工程，結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境，提出了水平定向鉆施工質(zhì)量控制方案。徐國華等[6]采用有限元分析法對水平定向鉆的鉆架進(jìn)行受力分析，提出了水平定向鉆鉆架強(qiáng)度優(yōu)化方案。近年來，針對水平定向鉆對周邊環(huán)境影響的研究主要集中于堤壩安全防控方面。例如，余劍平等[7]探討了定向鉆穿越堤防堤基時(shí)產(chǎn)生的滲流影響，并且針對該影響進(jìn)行分析，提出了具體的防滲方案。張胤等[8-9]采用理論分析的方法，探究水平定向鉆施工對堤壩穩(wěn)定性影響；采用數(shù)值模擬的方法，探究水平定向鉆擴(kuò)孔步驟對堤壩安全性能的影響。朱晶等[10]采用數(shù)值模擬的方法，分析了水平定向鉆的埋深與孔徑等因素對施工過程中堤防安全穩(wěn)定的影響。

本文依托青島市某中水管線完善工程，主要計(jì)算評估深圳路周邊中水管線完善工程項(xiàng)目施工對地鐵2號線遼陽東路站-東韓站區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響，不同孔徑條件下，管線與隧道的水平凈距和泥漿壓力對隧道既有變形的影響規(guī)律，為以后類似的工程提供參考。

該工程位于青島地鐵2號線遼陽東路站-東韓站區(qū)間內(nèi)，目前地鐵2號線已通車運(yùn)營。中水管線完善工程水平定向鉆段管線與地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊線最小水平距離4.5 m。

1 工程背景

青島市某中水管線完善工程管線由中水加壓后通過直徑0.315 m的中水管道輸送。如圖1所示，管線與青島地鐵2號線遼東區(qū)間隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)外邊線最小水平距離4.5 m，地鐵埋深最大9.2 m。工程沿深圳路以水平定向鉆（DE315）方式施工長度為217.6 m。水平定向鉆機(jī)進(jìn)行管線穿越主要施工工序有鉆導(dǎo)向孔、分級擴(kuò)孔、管道回拖。導(dǎo)向孔孔徑0.16 m，分級擴(kuò)孔最大孔徑0.48 m（約1.5D）。穿越主要地層包括①雜填土、⑦粉質(zhì)黏土、⑨粗礫砂層、12 粗礫砂層、16強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中風(fēng)化花崗巖層。場區(qū)地下水類型按賦存方式分為第四系松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩類。第四系松散巖類孔隙水水力性質(zhì)為潛水，主要含水地層為第9層中粗砂、第12層礫砂，屬中等～強(qiáng)透水層。風(fēng)化巖裂隙水水力性質(zhì)表現(xiàn)為潛水，主要賦存于強(qiáng)、中風(fēng)化巖層中。

圖1 中水管線與地鐵2號線遼東區(qū)間豎向關(guān)系示意圖

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為模擬該中水管線完善工程項(xiàng)目水平定向鉆施工過程，采用Flac3D數(shù)值模擬軟件。建立二維數(shù)值仿真模型。如圖2所示，模型長70.8 m，高25 m。其中①雜填土3 m，⑦粉質(zhì)黏土層厚5 m，⑨粗礫砂層厚3 m，粗礫砂層厚4 m，16強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層厚3 m，中風(fēng)化花崗巖層厚6.55 m。隧道位于⑨粗礫砂層、12粗礫砂層和16強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中，隧道頂埋深9.15 m。地層結(jié)構(gòu)采用摩爾庫倫模型，隧道采用彈性模型。

圖2 計(jì)算模型及剖分單元示意圖

2.2 參數(shù)選擇

土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，隧道模型參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 巖土體的物理力學(xué)指標(biāo)

表2 隧道模型參數(shù)選擇

2.3 邊界與初始條件

（1）邊界條件。左右兩端端面受水平約束，垂直方向底面受豎向約束，頂面為自由表面，模型前后方向無位移。

2.4 施工過程模擬

采用model null指令殺死管道內(nèi)部土體單元，并于鉆孔內(nèi)壁一周均勻施加沿徑向的注漿壓力，模擬定向鉆擴(kuò)孔過程。

3 水平定向鉆穿越對隧道變形的影響分析

3.1 泥漿壓力與管徑的綜合影響分析

水平定向鉆穿越時(shí)，孔內(nèi)泥漿壓力是重要的施工參數(shù)。過大的泥漿壓力將對周邊環(huán)境造成很大擾動，壓力過小將導(dǎo)致成孔質(zhì)量差，后續(xù)管道拖動困難。查閱文獻(xiàn)[11]可知，水平定向鉆泥漿壓力一般取1.0 MPa左右。改變水平定向鉆的泥漿壓力，計(jì)算0.9 MPa、1.0 MPa、1.1 MPa、1.2 MPa，相 應(yīng) 管 徑 為0.16 m、0.32 m、0.48 m時(shí)，水平定向鉆施工對既有隧道變形的影響計(jì)算結(jié)果如表3、表4所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制成圖3、圖4。

圖3 水平定向鉆泥漿壓力及管徑變化對鄰近隧道結(jié)構(gòu)水平位移影響規(guī)律

圖4 水平定向鉆泥漿壓力及管徑變化對鄰近隧道結(jié)構(gòu)橫向高差影響規(guī)律

表3 不同泥漿壓力及管徑水平定向鉆施工鄰近隧道結(jié)構(gòu)橫向高差

表4 不同泥漿壓力及管徑水平定向鉆施工鄰近隧道結(jié)構(gòu)水平位移

由圖3、圖4可知，泥漿壓力越大，水平定向鉆開挖后，隧道兩端橫向高差越大，隧道水平位移越大?？讖綖?.16 m時(shí)，水平定向鉆開挖對隧道結(jié)構(gòu)幾乎無影響。孔徑為0.48 m時(shí)，水平定向鉆開挖對隧道的影響最大。當(dāng)泥漿壓力為1.2 MPa時(shí)，水平定向鉆與隧道之間的土體中存在較大塑性區(qū)，應(yīng)力應(yīng)變呈非線性關(guān)系，造成0.32 m與0.48 m管徑施工隧道的橫向高差相近。由表3、表4可得取泥漿壓力為1.2 MPa，最大橫向高差為0.273 mm，最大水平位移為1.598 mm。

3.2 管道與隧道的凈距與管徑的綜合影響分析

水平定向鉆穿越時(shí)，管道與隧道結(jié)構(gòu)的凈距直接影響擾動的大小。改變水平定向鉆與隧道既有結(jié)構(gòu)之間的距離，取泥漿壓力為1.0 MPa，計(jì)算3.0 m、4.5 m、6.0 m、7.5 m，相應(yīng)管徑為0.16 m、0.32 m、0.48 m時(shí)，水平定向鉆施工對既有隧道變形的影響計(jì)算結(jié)果如表5、表6所示，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制成圖5、圖6。

表5 不同管道與隧道水平凈距水平定向鉆施工鄰近隧道結(jié)構(gòu)橫向高差

表6 不同管道與隧道水平凈距水平定向鉆施工鄰近隧道結(jié)構(gòu)水平位移

圖5 水平定向鉆與隧道水平凈距及管徑變化對鄰近隧道結(jié)構(gòu)水平位移影響規(guī)律

圖6 水平定向鉆與隧道水平凈距及管徑變化對鄰近隧道結(jié)構(gòu)橫向高差影響規(guī)律

由圖5可得，隧道的水平變形隨管道與隧道的凈距增大而減小，超過6 m以后，趨于穩(wěn)定。由圖6可得，水平定向鉆開挖后，隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的橫向高差隨管道與隧道的凈距增大而減小，超過6 m以后，橫向高差趨于穩(wěn)定變形很小，絕對值小于0.2 mm。隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的橫向高差隨管道孔徑的增大而增大。當(dāng)水平定向鉆與隧道距離較小時(shí)，隧道橫向高差主要來源于水平定向鉆造成的地層損失，隧道向水平定向鉆側(cè)傾倒，該影響隨距離的增加而減小。當(dāng)距離較大時(shí)，因泥漿壓力的作用，隧道會有與原來相反的變形趨勢，即在距離6m以后會出現(xiàn)微小的負(fù)值橫向高差。由表5、表6可得，孔徑為0.48 m、管道與隧道水平凈距為3 m時(shí)，隧道變形最大。此時(shí)，隧道橫向高差為0.914 mm，隧道水平位移為2.307 mm。

深圳路中水管線完善工程管道與隧道水平凈距4.5 m，由表5、表6可知，水平定向鉆開挖后，隧道水平位移0.967 mm，橫向高差0.152 mm。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[12]，隧道水平預(yù)警值10 mm，橫向高差預(yù)警值0.152 mm，可知水平定向鉆開挖對隧道的影響在安全可控范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文以深圳路中水管線完善工程為背景，建立水平定向鉆側(cè)穿隧道主體結(jié)構(gòu)仿真模型，探究水平定向鉆施工對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：

（1）水平定向鉆孔內(nèi)泥漿壓力的大小對附近施工環(huán)境有影響，泥漿壓力越大，水平定向鉆開挖后，隧道兩端橫向高差越大，隧道水平位移越大?？讖綖?.48 m、泥漿壓力為1.2 MPa時(shí)，最大橫向高差為0.273 mm，最大水平位移為1.598 mm。

（2）水平定向鉆開挖后，隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的橫向高差和水平變形隨管道與隧道的凈距增大而減小，超過6 m以后，隧道變形趨于穩(wěn)定，變形很小?？讖綖?.48 m、管道與隧道水平凈距為3 m時(shí)，隧道變形最大，隧道橫向高差為0.914 mm，隧道水平位移為2.307 mm。

（3）水平定向鉆施工初次擴(kuò)孔孔徑為0.16 m，此時(shí)對隧道結(jié)構(gòu)的影響很小，隧道變形小于0.1 mm。第三級擴(kuò)孔孔徑為0.48 m，此時(shí)對隧道影響最大。深圳路中水管線完善工程管道與隧道水平凈距4.5 m，水平定向鉆施工造成的隧道水平位移0.967 mm，橫向高差0.152 mm。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，隧道變形小于預(yù)警值，可知水平定向鉆開挖對隧道的影響在安全可控范圍內(nèi)。