盾構(gòu)下穿地下管溝施工影響案例分析及其控制研究*

王婉婷 黃 杉 王尉行 李谷陽(yáng) 李曉亮 徐前衛(wèi) 孫梓栗

(1. 同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 201804， 上海； 2. 中鐵五局電務(wù)城通公司， 410205， 長(zhǎng)沙//第一作者，碩士研究生)

盾構(gòu)施工對(duì)周邊地下管線的影響不容忽視。為研究隧道施工對(duì)地下管線沉降變形的影響，文獻(xiàn)[1-3]采用了基于有限元軟件的數(shù)值分析法，文獻(xiàn)[4-5]采用了基于地基沉降槽曲線的理論解方法。研究結(jié)果表明，盾構(gòu)開挖引起的周圍土層差異沉降，是導(dǎo)致地下管線損壞或功能喪失的主要原因。根據(jù)文獻(xiàn)[6-11]，影響管線變形的主要因素包括管線與隧道的相對(duì)位置、管線的彎曲剛度和土體的強(qiáng)度。相對(duì)而言，管線本身參數(shù)(除管材、直徑外)對(duì)其沉降的影響相對(duì)較小，而土質(zhì)及盾構(gòu)施工參數(shù)對(duì)管線沉降的影響較為顯著[12]。

本文結(jié)合北京地鐵8號(hào)線盾構(gòu)穿越地下熱力管溝和污水管溝的工程案例，采取有限差分軟件模擬分析左、右線盾構(gòu)施工對(duì)地下管線的影響，并依據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果提出適合本工程的施工控制措施，從而指導(dǎo)本工程的順利實(shí)施，并為類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

北京地鐵8號(hào)線天橋站—永定門外站區(qū)間盾構(gòu)隧道直徑為6.4 m，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為K33+380.648，終點(diǎn)里程為K35+018.019，全長(zhǎng)1 637.371 m。盾構(gòu)在里程K33+395處下穿鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的熱力管溝和污水管溝。熱力管溝距盾構(gòu)始發(fā)端僅15.40 m，埋深5.28 m，截面尺寸為2.60 m×2.30 m，距離盾構(gòu)隧道頂部?jī)H2.70 m。污水管溝埋深1.97 m，截面尺寸為1.10 m×1.70 m。熱力管溝、污水管溝與盾構(gòu)隧道的關(guān)系如圖1～2所示。

圖1 地下管溝與隧道平面關(guān)系示意圖

盾構(gòu)隧道在下穿熱力管溝處的埋深為10.84 m。土層由上而下為人工堆積層(雜填土①層、粉土填土①2層)和一般第四紀(jì)沖洪積層(粉土③2層、粉質(zhì)黏土③層、粉砂-細(xì)砂③3層、粉土④2層、卵石⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、卵石⑦層、粉質(zhì)黏土⑥層、卵石⑦層、卵石⑨層)。

圖2 地下管溝與隧道立面關(guān)系示意圖

隧道洞身主要穿越地層為粉細(xì)砂層③3和粉土層④2，上覆粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土，下臥卵石層，地質(zhì)環(huán)境較差。因此，該處盾構(gòu)下穿地下管線被施工方列為環(huán)境一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。各土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。根據(jù)水位勘察結(jié)果，該段盾構(gòu)位于地下水位以上，處于全斷面無(wú)水狀態(tài)。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 盾構(gòu)下穿熱力管溝施工模擬

2.1 建立計(jì)算模型

盾構(gòu)下穿熱力管溝施工的計(jì)算模型如圖3所示。隧道與地下管道位置關(guān)系如圖4所示。計(jì)算模型水平邊界長(zhǎng)63 m，豎向邊界長(zhǎng)36 m，縱向邊界長(zhǎng)30 m。地基土、管片和注漿層均用實(shí)體單元模擬。

圖3 隧道下穿地下管溝計(jì)算模型圖

圖4 隧道與地下管線空間位置關(guān)系圖

其中，地基土采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，管片和注漿層采用各項(xiàng)同性彈性模型。熱力管溝與污水管溝選用shell單元模擬。

計(jì)算模型的豎向邊界約束水平位移，水平底部邊界約束豎向位移，頂部是自由面。土層、管片、注漿層及管道的計(jì)算參數(shù)如表2～4所示。

2.2 模擬施工過(guò)程

模擬施工先開挖右線隧道，待右線隧道開挖完成后再開挖左線隧道。左、右隧道長(zhǎng)30 m，分10步開挖。對(duì)盾構(gòu)開挖面施加荷載來(lái)模擬盾構(gòu)對(duì)掌子面的支撐力，把管片實(shí)體賦予管片彈性單元計(jì)算參數(shù)模擬安裝襯砌，考慮注漿壓力及漿液強(qiáng)度變化過(guò)程，注漿壓力施加在注漿層實(shí)體上，由初始?jí)毫p小到0，注漿層強(qiáng)度由0增加到最終強(qiáng)度。隧道開挖面頂部和底部的支護(hù)壓力按水平靜止土壓力計(jì)算，分別為74.29 kPa和155.38 kPa。盾構(gòu)注漿壓力采用現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)200 kPa。

表2 土體彈塑性單元計(jì)算參數(shù)

表3 彈性實(shí)體單元計(jì)算參數(shù)

表4 結(jié)構(gòu)單元計(jì)算參數(shù)

2.3 分析計(jì)算結(jié)果

2.3.1 土體豎向位移

盾構(gòu)施工所引起的地表豎向位移最大值如表5所示。地表隆起變形允許值為10 mm，沉降變形允許值為30 mm?？梢?jiàn)，選用的支護(hù)壓力及注漿壓力是比較合理的。

表5 隧道施工引起的豎向位移最大值統(tǒng)計(jì) mm

2.3.2 管線變形

圖5為左線掘進(jìn)過(guò)程中熱力管溝最大沉降值、最大隆起值和差異沉降值的變化曲線。隨著隧道掘進(jìn)，熱力管線整體呈向下沉趨勢(shì)，其最大沉降值也逐漸增大，最大隆起值逐漸減小，差異沉降值變化不大。管線最大隆起值為6.71 mm，最大沉降值為5.02 mm，均小于管線最大豎向允許變形值(45.00～55.00 mm)的要求；管線最大差異沉降變形9.02 mm，也小于10.00 mm的允許值要求。

圖5 左線掘進(jìn)過(guò)程中熱力管溝的最大變形值

左線掘進(jìn)完成后，熱力管溝與污水管溝的最終變形如圖6所示。由圖6可見(jiàn)；熱力管道中間下沉，兩端翹曲，產(chǎn)生了不均勻沉降，且最大沉降值為5 mm，最大隆起值為4 mm，不均勻沉降差為9 mm；隧道施工引起的污水管沉降較均勻，約為4 mm，且量值較小。

圖6 熱力管溝與污水管溝最終變形

3 控制措施及監(jiān)控方案

3.1 施工控制措施

由仿真計(jì)算結(jié)果可知，地層和管道的變形雖仍控制在安全范圍內(nèi)，但局部管道變形值已接近控制值。因此，施工時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)淖冃慰刂拼胧?/p>

(1) 嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)壓力和出土量，保持盾構(gòu)土倉(cāng)內(nèi)外壓力平衡，保證盾構(gòu)勻速、連續(xù)地掘進(jìn)，盡量避免盾構(gòu)變速推進(jìn)，以免對(duì)前方和周圍土體造成過(guò)大擾動(dòng)。

(2) 推進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)推力偏大時(shí)，可在盾殼外側(cè)加注膨潤(rùn)土，以減小盾體與土層間的摩阻力，從而減小盾殼通過(guò)時(shí)的上部土層變形。

(3) 為保護(hù)管溝，可對(duì)盾構(gòu)隧道外側(cè)土體進(jìn)行加固。加固范圍如圖7所示。

(4) 施工采用了二次探孔注漿及管片加強(qiáng)工藝。二次探孔注漿，即利用加強(qiáng)襯砌環(huán)管片(管片主筋由C 20鋼筋增強(qiáng)至C 22)的吊裝孔及新增注漿孔，通過(guò)打設(shè)鋼花管進(jìn)行管片壁后注漿。每環(huán)加強(qiáng)襯砌環(huán)管片的吊裝孔及新增注漿孔共有16個(gè)，沿圓周均勻布置。在隧道拱頂外1.5 m范圍內(nèi)注漿。漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，其漿液配比同二次補(bǔ)漿漿液配比，即水：水泥=1：1(質(zhì)量比)，水泥漿：水玻璃=1：1(體積比)。注漿壓力為0.5～0.8 MPa。

圖7 加固范圍示意圖

3.2 監(jiān)控方案

(1) 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置。圖8為熱力管溝附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖。這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要監(jiān)測(cè)隧道周圍1倍埋深范圍內(nèi)的地下管溝沉降及差異沉降、管側(cè)土體沉降值。

圖8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

(2) 監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。地下管溝與地表沉降的累計(jì)變化量應(yīng)小于20 mm，沉降速率應(yīng)小于2 mm/d，差異沉降應(yīng)小于0.25%。

(3) 監(jiān)測(cè)結(jié)果。圖9為左、右線盾構(gòu)施工完畢后，熱力管溝上各測(cè)點(diǎn)的豎向變形值。受隧道開挖影響，最大隆起值和沉降值分別為4.4 mm和5.6 mm，滿足施工控制要求。此外，熱力管溝中間下沉，兩端翹曲，產(chǎn)生不均勻沉降，且不均勻沉降值為7 mm。這與數(shù)值模擬結(jié)果相似。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合北京地鐵8號(hào)線雙線盾構(gòu)下穿地下熱力管溝和污水管溝的工程實(shí)例，通過(guò)有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件對(duì)盾構(gòu)施工全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。模擬計(jì)算結(jié)果表明，雖然盾構(gòu)開挖引起的土層和管溝變形在施工允許范圍內(nèi)，但局部管溝變形值接近控制值；隨著盾構(gòu)的開挖，靠近盾構(gòu)的熱力管溝中間部分下沉幅度大，遠(yuǎn)離盾構(gòu)的兩端下沉幅度小甚至向上隆起產(chǎn)生不均勻沉降。因此，結(jié)合該工程的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取了二次探孔注漿及管片加強(qiáng)工藝等施工控制措施，最終有效控制了隧道上方熱力管溝和污水管溝的變形?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，地下管溝的最大沉降量只有5.6 mm，不均勻沉降值為7 mm。滿足施工要求，且與模擬計(jì)算結(jié)果吻合。

圖9 盾構(gòu)施工結(jié)束后熱力管溝監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值

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