富水圓礫地層地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有管線(xiàn)變形影響規(guī)律分析

高 濤

(北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，100101，北京//高級(jí)工程師)

地鐵盾構(gòu)隧道施工大多處于較為繁華的地帶，周邊建筑物及錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管網(wǎng)給地鐵隧道的安全施工帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此研究地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)鄰近管線(xiàn)的變形影響規(guī)律具有重要工程應(yīng)用價(jià)值[2]。本文采用有限差分法，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)就南寧地鐵盾構(gòu)隧道施工對(duì)不同距離的既有管線(xiàn)變形的影響規(guī)律，提出相應(yīng)的控制措施，以此來(lái)保證富水圓礫地層區(qū)既有管線(xiàn)的正常使用和地鐵盾構(gòu)隧道的施工安全。

1 工程背景

1. 1 工程概況

以南寧軌道交通2號(hào)線(xiàn)某富水圓礫地層雙線(xiàn)隧道區(qū)間為工程背景。該區(qū)間總長(zhǎng)為588.48 m，盾構(gòu)外徑為6 180 mm，線(xiàn)間距為16.0～16.9 m，隧道埋深為11.4～16.4 m。雙線(xiàn)隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工方式先后進(jìn)行開(kāi)挖，并配備換刀和防噴涌裝置。富水圓礫地層盾構(gòu)施工時(shí)，掌子面不穩(wěn)定易坍塌，存在碰到漂石或孤石的概率，因此采取了以下措施：①改良渣土顆粒級(jí)配，以增加其流塑性，降低透水性，減小刀盤(pán)摩擦與扭矩；②提高刀具破巖和耐磨能力，提高帶壓進(jìn)倉(cāng)和常壓進(jìn)倉(cāng)等相關(guān)預(yù)項(xiàng)方案實(shí)施的安全性；③先施工左線(xiàn)，后施工右線(xiàn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)與區(qū)間隧道平行、垂直的既有管線(xiàn)較多，分別位于主干道和交叉路口的下方。隧道區(qū)間的不同斷面都存在既有管線(xiàn)，其中：給水管線(xiàn)中心埋深為1.5 m，采用DN 800 mm預(yù)應(yīng)力混凝土管；污水管線(xiàn)中心埋深為5.5 m，采用DN 800 mm鋼筋混凝土管。兩種管道壁厚均為10 cm，且與隧道垂直。地鐵區(qū)間隧道與管線(xiàn)的相對(duì)空間位置剖面見(jiàn)圖1。

圖1 地鐵區(qū)間隧道與管線(xiàn)的相對(duì)空間位置剖面圖

1. 2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

該區(qū)間場(chǎng)地位于為邕江低級(jí)階地，場(chǎng)地內(nèi)地勢(shì)起伏不大，分布有厚狀圓礫層，該土層有地下水的良好通道，與邕江水聯(lián)系密切，并具有富水性好、透水性好、水量大且略具承壓性等特點(diǎn)。區(qū)間隧道主要穿越的土層為圓礫層，隧道上方的土層依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂及礫砂；隧道下方的土層為粉砂質(zhì)泥巖，最大勘察深度為41.5 m，水位埋深為4.3～18.0 m，標(biāo)高為56.66～72.17 m。各地層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地鐵隧道區(qū)間地層物理力學(xué)參數(shù)表

2 監(jiān)測(cè)方案及數(shù)值模擬計(jì)算

2. 1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

按照工程監(jiān)測(cè)等級(jí)劃分要求，綜合評(píng)定本工程監(jiān)測(cè)等級(jí)為一級(jí)。道路地表及管線(xiàn)的監(jiān)測(cè)范圍均取1.0倍隧道埋深?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

2. 2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

采用有限差分FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，模型沿隧道橫向取64.0 m，沿隧道縱向取60.0 m，高度取36.0 m，模型尺寸為64.0 m×60.0 m×36.0 m。根據(jù)管線(xiàn)所在位置不同，分別建立管隧垂直下管線(xiàn)埋深變動(dòng)的三維計(jì)算模型，如圖3所示。模型中的巖土體材料按彈塑性理論并符合摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則,盾構(gòu)隧道的管片與管線(xiàn)采用shell單元進(jìn)行模擬。

圖2 地鐵區(qū)間隧道和管線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

圖3 地鐵區(qū)間隧道與管線(xiàn)的三維計(jì)算模型

2. 3 邊界條件和模型參數(shù)

設(shè)置模型邊界條件為：前后及兩側(cè)約束水平位移；底面邊界約束水平和豎向位移；模型上邊界為地表，其為自由邊界。地下水位取-4.5 m，為使模型與實(shí)際施工過(guò)程相接近，采用2組環(huán)形單元體近似代替隧道管片和壁后注漿，其厚度分別為300 mm和125 mm；支護(hù)力取0.21 MPa，注漿壓為0.2 MPa。模型中的材料單元力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2[6]。

表2 管片、注漿層和管線(xiàn)的力學(xué)參數(shù)

2. 4 盾構(gòu)施工的模擬方法

盾構(gòu)施工過(guò)程即隨著盾構(gòu)推進(jìn)隧道土體被開(kāi)挖而使周?chē)馏w因擾動(dòng)產(chǎn)生位移的過(guò)程。為了使模擬過(guò)程與實(shí)際過(guò)程相吻合，此次模擬考慮超挖、注漿壓及漿液初凝與終凝時(shí)間，根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)度，分別在第4和第8環(huán)認(rèn)定為初次硬化和最終硬化；整個(gè)施工過(guò)程都在恒定支護(hù)力下進(jìn)行地鐵隧道盾構(gòu)開(kāi)挖，激活管片單元同時(shí)進(jìn)行土體應(yīng)力的釋放。該模型盾構(gòu)掘進(jìn)方向施工總長(zhǎng)60.0 m，每步長(zhǎng)1.5 m，分為40步進(jìn)行開(kāi)挖。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

3. 1 同直徑、不同埋深下管線(xiàn)的沉降規(guī)律

在數(shù)值模擬計(jì)算中，在處于不同深度的管線(xiàn)位置布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，各種工況下管線(xiàn)最終沉降量，左、右線(xiàn)隧道貫通后的管線(xiàn)沉降量如圖4所示。

圖4 左、右線(xiàn)隧道貫通后管線(xiàn)沉降量變化模擬曲線(xiàn)

左線(xiàn)隧道貫通后，隨著管線(xiàn)與隧道的間距逐漸減少，管線(xiàn)的最大沉降量逐漸增加，最大沉降量出現(xiàn)在左線(xiàn)隧道正上方；隨著隧道管線(xiàn)埋深增加，管線(xiàn)受到地層沉降槽的影響增大，管線(xiàn)最大沉降值增大，最小沉降值減小，導(dǎo)致管線(xiàn)內(nèi)力增加。右線(xiàn)隧道的開(kāi)挖使得左線(xiàn)隧道圍巖受到二次擾動(dòng)，隧道開(kāi)挖完成后，左線(xiàn)隧道上方管線(xiàn)最大沉降量均大于右線(xiàn)。右線(xiàn)隧道貫通后，沉降槽寬度增加，主要變形段增長(zhǎng)，曲線(xiàn)整體趨于平緩。從整體上看，右線(xiàn)隧道的施工使原有管線(xiàn)沉降曲線(xiàn)不再符合高斯曲線(xiàn)。

3. 2 管線(xiàn)縱向沉降規(guī)律

管線(xiàn)縱向沉降實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。由于模型長(zhǎng)度的限制，在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中僅考慮縱向60 m范圍內(nèi)掌子面對(duì)管線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降影響。

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看，由盾構(gòu)隧道施工造成的管線(xiàn)沉降空間效應(yīng)大致可劃分為3個(gè)階段：①盾構(gòu)通過(guò)前，沉降量變化曲線(xiàn)處于上升階段，這是由于盾構(gòu)機(jī)實(shí)際推力大于靜止土壓力，導(dǎo)致局部隆起造成土體抬升，從而造成管線(xiàn)略有抬起趨勢(shì)；②盾構(gòu)通過(guò)期間，管體受到擾動(dòng)程度大、沉降速率大，沉降量約占總沉降量的70%；③當(dāng)盾構(gòu)刀盤(pán)通過(guò)測(cè)點(diǎn)2倍于盾構(gòu)外徑范圍時(shí)，管線(xiàn)的變形主要依靠土體固結(jié)蠕變殘余變形進(jìn)而逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 不同管線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨刀盤(pán)位置的豎向位移變化曲線(xiàn)

3. 3 管線(xiàn)內(nèi)力分析

管線(xiàn)在隧道施工前就存在一定的初始應(yīng)力，該應(yīng)力主要表現(xiàn)為環(huán)向應(yīng)力，而縱向應(yīng)力非常小，隨著隧道的施工管線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力。以埋深較大的管線(xiàn)為例，左線(xiàn)隧道施工完成后，管線(xiàn)外表面的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力見(jiàn)圖6；右線(xiàn)隧道施工完成后，管線(xiàn)外表面的縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力見(jiàn)圖7。

圖6 左線(xiàn)隧道施工完成后管線(xiàn)應(yīng)力分布圖

左、右線(xiàn)隧道施工完成后，管線(xiàn)外表面環(huán)向和縱向的最大應(yīng)力見(jiàn)表3。

圖7 右線(xiàn)隧道施工完成后管線(xiàn)應(yīng)力分布圖

MPa

由模擬分析可知，管線(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力較小，而最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在管線(xiàn)兩側(cè)；縱向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在管底，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在管頂。左線(xiàn)隧道貫通后，管線(xiàn)縱向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在左線(xiàn)隧道正上方管線(xiàn)外表附近處，最大拉應(yīng)力主要分布在3個(gè)區(qū)域：距左線(xiàn)隧道正上方管線(xiàn)上表面向兩側(cè)2R(R為盾構(gòu)外徑)范圍內(nèi)；左線(xiàn)隧道正上方管線(xiàn)下表面2R范圍內(nèi)；環(huán)向最大應(yīng)力主要位于左線(xiàn)隧道上方管線(xiàn)兩側(cè)面。右線(xiàn)隧道施工完成后，兩隧道正上方管線(xiàn)上表面縱向壓、拉應(yīng)力較大并靠近右線(xiàn)隧道中心，此外，在兩隧道兩側(cè)管線(xiàn)上表面也產(chǎn)生了較大拉應(yīng)力區(qū)域，環(huán)向最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在兩隧道中心距管線(xiàn)兩側(cè)面8 m處。右線(xiàn)隧道貫通后，管線(xiàn)縱向最大壓應(yīng)力小于僅左線(xiàn)情況下管線(xiàn)縱向最大壓應(yīng)力，這是由于隨著右線(xiàn)隧道盾構(gòu)施工，引起土體二次擾動(dòng)，使得管線(xiàn)內(nèi)力重分布，原有管線(xiàn)變形較大處得以“舒展”，進(jìn)而該處的內(nèi)力向右線(xiàn)隧道上方管線(xiàn)傳遞釋放，管體變形曲線(xiàn)的斜率整體得到較好的改善。在整個(gè)隧道施工期間，管線(xiàn)最大壓應(yīng)力為4.58 MPa，最大拉應(yīng)力為2.75 MPa。該工程管線(xiàn)材質(zhì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，最大許用抗拉、壓應(yīng)力均大于該管線(xiàn)相應(yīng)最大應(yīng)力值，因此，管線(xiàn)處于安全狀態(tài)。有些地下管線(xiàn)采用素混凝土，許用拉應(yīng)力為1.03 MPa，許用最大壓應(yīng)力為15.0 MPa，對(duì)于大多數(shù)情況來(lái)說(shuō)，管線(xiàn)都會(huì)在受拉區(qū)產(chǎn)生裂縫，將引起管線(xiàn)安全或地下環(huán)境受到危害等問(wèn)題。在這種情況下，應(yīng)采取懸吊保護(hù)或注漿加固等措施。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)比分析表明，兩種方法的管線(xiàn)最終沉降量曲線(xiàn)較為吻合，表明數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果能夠較好地預(yù)測(cè)管隧垂直情況下管線(xiàn)變形及內(nèi)力分布情況，可為富水圓礫地層盾構(gòu)施工對(duì)地下鄰近管線(xiàn)的安全評(píng)估提供參考。

4 結(jié)論

本文采用有限差分?jǐn)?shù)值方法和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，分析了雙線(xiàn)隧道盾構(gòu)施工對(duì)鄰近垂直管線(xiàn)變形規(guī)律的影響，并對(duì)管線(xiàn)安全性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方法的各階段管線(xiàn)沉降曲線(xiàn)較為吻合，表明數(shù)值模擬計(jì)算方法能夠模擬富水圓礫地層盾構(gòu)施工對(duì)管線(xiàn)的影響，并可將其運(yùn)用于地鐵隧道工程實(shí)踐。

2) 盾構(gòu)刀盤(pán)到達(dá)前，管線(xiàn)沉降曲線(xiàn)均會(huì)出現(xiàn)先隆起且最終總體沉降的趨勢(shì)；盾構(gòu)通過(guò)階段，管線(xiàn)沉降曲線(xiàn)變化顯著；當(dāng)盾構(gòu)通過(guò)2倍盾構(gòu)外徑范圍后，管線(xiàn)沉降量逐漸減小且最終趨于穩(wěn)定，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)較長(zhǎng)。

3) 右線(xiàn)隧道貫通后，管線(xiàn)沉降曲線(xiàn)不再符合高斯曲線(xiàn)，最大沉降量出現(xiàn)在靠近先行施工隧道一側(cè)，此時(shí)管線(xiàn)主要變形段增長(zhǎng)，且管線(xiàn)變形曲線(xiàn)斜率整體呈變小趨勢(shì)。

4) 右線(xiàn)隧道貫通后，縱向最大拉應(yīng)力呈增大趨勢(shì)，而縱向最大壓應(yīng)力呈減小趨勢(shì)；鋼筋混凝土管道能滿(mǎn)足抗拉強(qiáng)度要求；對(duì)素混凝土管道而言，最大拉應(yīng)力不能滿(mǎn)足許用抗拉強(qiáng)度要求，需采取相關(guān)保護(hù)措施。