地鐵出入口暗挖通道下穿市政道路及重要管線的影響分析及數(shù)值模擬

王冕WANG Mian

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市軌道交通作為現(xiàn)代化城市交通的重要組成部分，地鐵建設(shè)在緩解城市交通壓力、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高居民出行質(zhì)量中具有重要意義。在地鐵建設(shè)過程中，由于周邊環(huán)境較為復(fù)雜，市政管線眾多，當(dāng)需要出入口有過街需求時(shí)，通常采用暗挖法下穿市政道路及管線，如果施工方案中針對性保護(hù)措施不力，將面臨土體坍塌和管線滲漏等風(fēng)險(xiǎn)，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文依托沈陽地鐵工程實(shí)例對淺覆土暗挖下穿道路及市政管線施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，制定可行的設(shè)計(jì)方案。以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，避免對市政道路及管線運(yùn)營造成不利影響[1-5]。

通過對工程實(shí)例進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析暗挖通道施工對上方市政道路及管線的影響。同時(shí)，通過數(shù)值模擬對比分析，探究采用深孔注漿法對土體加固前后，市政道路及管線沉降的變化規(guī)律，并為實(shí)際工程提供一定的參考作用。

1 工程概況

沈陽地鐵6 號線某車站位于鴨綠江北街與金山路交叉口南側(cè)，其中A2～A3 出入口暗挖通道下穿鴨綠江北街及道路下方多條重要市政管線。依次為：DN1000 砼排水管，埋深2.9m；2 根DN800 鋼熱力管，埋深2.5m；DN400 鑄鐵給水管，埋深1.5m；DN800 砼排水管，埋深2.7m；2 根DN630 鋼熱力管，埋深1.6m。同時(shí)暗挖通道橫跨盾構(gòu)區(qū)間，現(xiàn)場施工條件環(huán)境復(fù)雜。周圍環(huán)境情況如圖1 所示。

圖1 總平面圖

2 工程地質(zhì)及水文情況

沈陽地區(qū)地貌上單元眾多，主要為渾河沖洪積新、老扇高漫灘及古河道，市內(nèi)最高處是東部的大東區(qū)，海拔65m，最低處是西部的鐵西區(qū)，海拔36m，平均海拔約50m，地勢由東向西緩慢傾斜。本車站場地位于沈陽市皇姑區(qū)鴨綠江北街與金山路交匯處南側(cè)，地勢較平坦，本基坑穿越的土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、礫砂、圓礫，基底位于礫砂層。隧道圍巖等級為Ⅵ級。

勘察期間場地未見地表水?？辈炱陂g場地內(nèi)見有一層地下水，為孔隙潛水，主要賦存于礫砂及以下地層中，現(xiàn)場測得地下穩(wěn)定水位埋深約為14.7～16.2m，主要受地下水徑流補(bǔ)給。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

暗挖通道開挖前在拱頂部采用DN32 單排小導(dǎo)管超前支護(hù)并預(yù)注漿加固地層。同時(shí)初期支護(hù)采用300mm 厚C25 網(wǎng)噴早強(qiáng)混凝土+鋼筋格柵，格柵間距0.5m。二襯厚0.5m，通道結(jié)構(gòu)寬6.5m、高4.6m。

由于通道上方重要市政管線較多，同時(shí)橫跨盾構(gòu)區(qū)間，施工現(xiàn)場環(huán)境非常復(fù)雜。為更好地控制施工風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對通道上方土體進(jìn)行加固處理。常見的加固方案有：①大管棚；②深孔注漿。管棚加固的優(yōu)點(diǎn)是其對土體的支撐作用較強(qiáng)；缺點(diǎn)是由于漿液僅能填充鋼管及管壁周圍的空隙，表面無螺紋，與水泥漿黏結(jié)較差，對地層固結(jié)差。同時(shí)大管棚需要專業(yè)設(shè)備和較大空間，在暗挖通道施工中使用空間受限，通常用于大斷面區(qū)間隧道施工[6-9]。相比管棚加固方案，深孔注漿的優(yōu)勢為可采用高壓注漿，漿液在土體中有較大的擴(kuò)散半徑，受改良土體的范圍較大；能夠形成良好的固結(jié)體，由于高壓注漿對土體具有擠壓、滲透作用，可使固結(jié)體周圍土層的物理力學(xué)性能顯著提高[9]。

綜合對比各加固方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本工程最終選擇采用深孔注漿法進(jìn)行土體預(yù)加固。具體設(shè)計(jì)方案如下：上半斷面及初支外1.5m（同時(shí)距離管線底凈距不超過0.3m）及初支內(nèi)0.2m 范圍深孔注漿，注漿孔間距500×500，輻射狀打設(shè)，沿通道開挖方向每10m 一循環(huán)[10-11]。通道剖面圖如圖2、圖3 所示。

圖2 暗挖通道縱剖面圖

圖3 暗挖通道橫剖面圖

4 三維數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場管線情況、地質(zhì)勘查報(bào)告等資料，采用Midas GTS/NX 有限元軟件對出入口通道暗挖施工過程進(jìn)行三維模擬。計(jì)算時(shí)土體采用修正-摩爾庫倫本構(gòu)模型；深孔注漿因考慮其對土體的滲透、擠壓作用，計(jì)算時(shí)同樣采用修正-摩爾庫倫本構(gòu)模型。初支、二襯采用彈性本構(gòu)模型，初支、二襯、深孔注漿均為實(shí)體單元。

因模擬范圍內(nèi)地面為鴨綠江北街主干道，故施加模型荷載時(shí)除計(jì)算模型自重外，還應(yīng)考慮市政道路上方的車輛荷載。本工程車輛荷載取20kPa。模型材料屬性參數(shù)見表1，有限元計(jì)算模型如圖4 所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

圖4 計(jì)算模型

4.2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過對暗挖通道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬可知，地面沉降及管線沉降均超過10mm。考慮到暗挖通道開挖前，盾構(gòu)區(qū)間施工已造成路面及管線發(fā)生局部沉降[1-5]。本次模擬計(jì)算得出的路面及管線的沉降結(jié)果實(shí)際為盾構(gòu)施工完成后，通道開挖過程中產(chǎn)生的二次沉降。因此，應(yīng)對通道上方土體采取必要的加固措施，盡可能減小暗挖施工對通道上方土體的擾動(dòng)，以降低施工對市政道路沉降及管線變形的影響[12-13]。

本項(xiàng)目選擇采用深孔注漿的方式對通道上方土體進(jìn)行加固。即通過改變深孔注漿實(shí)體單元的屬性，模擬計(jì)算加固前后的地表沉降及管線沉降，并對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.2.1 地表沉降分析

深孔注漿加固前后地表沉降值如圖5、圖6、表2 所示。

表2 深孔注漿前后最大地面沉降值

圖5 地表豎向位移圖

圖6 地表豎向位移圖（深孔注漿后）

通過計(jì)算分析可知：地表沉降主要發(fā)生在暗挖通道上方，并隨著通道施工過程的推進(jìn)逐漸增加。同時(shí)未進(jìn)行深孔注漿加固時(shí)，地表最大沉降為11.7mm。當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，地表最大沉降為2.73mm，即地面沉降大幅減小，最大沉降值降低77%。

此外，通過對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固，使地面的局部沉降范圍也發(fā)生了變化，主要沉降范圍由暗挖通道上方改為管線上方對應(yīng)位置。說明管線下方土體經(jīng)過加固后，土體剛度增加，地面沉降的主要影響因素由土層的整體沉降變?yōu)楣芫€的沉降。

4.2.2 管線沉降分析

深孔注漿加固前后管線沉降值如圖7、圖8、表3 所示。

表3 深孔注漿前后管線最大沉降值

圖7 管線豎向位移圖

圖8 管線豎向位移圖（深孔注漿后）

通過計(jì)算結(jié)果分析可知，管線沉降會受到管線埋深、管徑等多種不同因素的影響，上述管線埋深越淺，沉降值越大；同時(shí)通過位移云圖中管線沉降趨勢可以發(fā)現(xiàn)，管線沉降最大位置均出現(xiàn)在暗挖通道正上方，沉降值向管線兩端遞減，與地面沉降變化規(guī)律相同。

對比深孔注漿前后管線的最大沉降值的變化情況可知，未進(jìn)行深孔注漿加固時(shí)，通道開挖引起的管線最大沉降值為12.1mm，當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，對應(yīng)管線最大沉降值為2.67mm，管線最大沉降值降低了78%。由此可知：通道上方土體經(jīng)過深孔注漿加固后，土體剛度增加，可以使上方管線的沉降大幅降低。通過計(jì)算對比分析，各管線最大沉降值的降低幅度為70%～78%；其中，DN400 給水管沉降變化幅度最大，說明管線埋深越淺，深孔注漿對管線位移的影響越大。

同時(shí)，通過對深孔注漿前后各管線不同位置的相對位移差（即撓度值）進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，土體加固后管線變形（撓度值）大幅減小。如DN400 給水管由3/10000 減小至0.1/10000，降低了因管線變形導(dǎo)致管線破壞滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論及建議

通過對深孔注漿加固前后，暗挖通道的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

①當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，地面局部沉降范圍會發(fā)生變化，由暗挖通道上方改為管線上方對應(yīng)位置。且地面沉降相比加固前地面沉降大幅減小，有效地將沉降值控制在安全范圍內(nèi)。

②暗挖通道開挖過程中，管線在通道正上方范圍沉降值最大；同時(shí)沉降值向管線兩端逐步遞減。與地面沉降變化規(guī)律相同。當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，通道開挖引起管線的沉降大幅減少，最大沉降值降低幅度超過70%。

③深孔注漿加固后，不僅可以減小地面及管線的局部沉降，同時(shí)還可以使管線撓度變形大幅減小，從而降低市政路面開裂及管線滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。