吳 浩/WU Hao

（中鐵七局集團(tuán)西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710003）

隨著我國(guó)城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，面對(duì)復(fù)雜的地下空間環(huán)境，隧道施工不可避免的下穿建（構(gòu)）筑物，管道或基礎(chǔ)侵入在建隧道，客觀上將帶來(lái)嚴(yán)重事故，將需要對(duì)隧道實(shí)施調(diào)坡?lián)Q拱以滿足地鐵使用要求，這類施工危險(xiǎn)系數(shù)高，影響質(zhì)量安全因素多，有必要進(jìn)行隧道調(diào)坡?lián)Q拱施工對(duì)臨近管道影響的研究。

目前針對(duì)降雨、高地應(yīng)力、大火、軟弱圍巖段隧道損傷進(jìn)行的局部換拱研究局限于施工程序的分析，未見(jiàn)因雨水管道入侵而實(shí)施隧底仰拱置換的研究。另一方面，隧道施工對(duì)臨近建（構(gòu)）筑物影響的研究是非常豐富，常用方法是采用數(shù)值軟件模擬預(yù)測(cè)隧道下穿對(duì)道路、建筑物、管線、樁基的影響，采用理論解析和模型試驗(yàn)的方法對(duì)一些簡(jiǎn)化情況下管隧相互影響規(guī)律的預(yù)測(cè)也起到了積極作用。然而，仍缺乏黃土中隧底仰拱置換施工對(duì)臨近管道影響的研究。

本文采用三維數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)的方法，深入分析了黃土中長(zhǎng)距離隧底仰拱置換對(duì)臨近管道的影響。研究結(jié)果表明：按照0.5m 施工進(jìn)尺進(jìn)行黃土中長(zhǎng)距離仰拱置換誘發(fā)的地表、原初支隧道及管道結(jié)構(gòu)變形均在安全控制范圍內(nèi)，管道側(cè)堵頭墻、管道底管棚及管道結(jié)構(gòu)剛度，均能有效減少隧底仰拱置換施工擾動(dòng)影響。同時(shí)，為防止施工過(guò)程中原初支隧道拱頂變形過(guò)大和管道長(zhǎng)期時(shí)間暴露受損，還應(yīng)分別在在隧道內(nèi)部設(shè)置臨時(shí)豎向支撐及實(shí)施管道內(nèi)部加固。

1 工程概況

西安市某黃土中地鐵區(qū)間隧道，采用標(biāo)準(zhǔn)的馬蹄形斷面，寬度為6.8m，高度為6.52m（A型）/6.65m（B 型），該區(qū)間隧道全長(zhǎng)1.3km。采用淺埋暗挖法施工時(shí)，先在拱部150°范圍內(nèi)超前安裝注漿小導(dǎo)管，開(kāi)挖后及時(shí)布置8mm 的鋼筋網(wǎng)片（0.15m×0.15m），再網(wǎng)噴250mm 厚C25早強(qiáng)混凝土形成初期支護(hù)。

該隧道施工到里程ZDK38+977.83 時(shí)偶然揭露了DN2400 的雨水管道，造成管道侵入隧道初支外輪廓線以內(nèi)2.13m，導(dǎo)致隧道斷面嚴(yán)重縮減。該雨水管道為鋼筋混凝土鋼承口圓管（Ⅲ級(jí)），采用頂管法施工而成。

為滿足地鐵隧道使用要求，避開(kāi)已揭露的雨水管道，需要進(jìn)行長(zhǎng)距離隧底仰拱置換對(duì)原有隧道斷面進(jìn)行調(diào)整，施工長(zhǎng)度為235m，擴(kuò)挖深度從仰拱置換起點(diǎn)的0.8m 持續(xù)增加到雨水管道處的2.5m。

為確保隧底仰拱置換施工過(guò)程中管道的質(zhì)量安全，對(duì)雨水管道采取了應(yīng)急加固措施，先在雨水管道與已有初支隧道之間設(shè)置堵頭墻，初支墻厚600mm，二襯墻厚400mm，高度約2.13m，沿堵頭墻豎向設(shè)置4 榀I18 工字鋼作為橫向支撐，其間距為0.5m。然后，在堵頭墻底和隧道新拱頂之間對(duì)稱搭設(shè)6 根注漿管進(jìn)行棚護(hù)支撐，管長(zhǎng)為5m，直徑為108mm。

2 仰拱置換施工方案

本工程隧底仰拱置換面臨距離長(zhǎng)，擴(kuò)挖深度大、斷面連續(xù)變化的特點(diǎn)，施工需要有效控制對(duì)無(wú)需破除部分隧道初支結(jié)構(gòu)、圍巖、堵頭墻及雨水管道的影響，每段施工按照初支結(jié)構(gòu)破拆→土體擴(kuò)挖及凈空測(cè)量→初噴掛網(wǎng)→格柵鋼架安裝及凈空測(cè)量→噴混凝土封閉的程序進(jìn)行。初步確定的隧底仰拱置換施工進(jìn)尺為0.5m。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型

采用有限差分軟件FLAC3D 建立隧底仰拱置換施工的三維數(shù)值模型?？紤]計(jì)算效率及隧底仰拱置換施工影響范圍，選取隧底仰拱置換區(qū)段全長(zhǎng)臨近雨水管道的一部分進(jìn)行計(jì)算，模型長(zhǎng)度為50m，為管道直徑的約20 倍和隧道寬度的約7倍，對(duì)應(yīng)的擴(kuò)挖深度從2.14m 增加到2.5m。同時(shí)，考慮隧底仰拱置換施工的對(duì)稱性，選取半模型計(jì)算，模型橫向?qū)挾葹?5m，由于半模型的寬度遠(yuǎn)大于仰拱置換部分隧道寬度的3 倍以上，可以忽略邊界效應(yīng)。模型底部及四周約束法向位移，上表面為自由面。

模型中隧道圍巖按實(shí)際地層條件建模，從上到下土層物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。施工時(shí)采用管井降水至底板下2.9～3.0m，換拱施工不受地下水影響。圍巖土體的本構(gòu)模型均采用Mohr-Coulomb 理想彈塑性模型。

表1 施工區(qū)內(nèi)主要地層參數(shù)

數(shù)值計(jì)算時(shí)，模型中隧道襯砌、堵頭墻、雨水管道、管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)均采用線彈性本構(gòu)模型，隧道襯砌和雨水管道結(jié)構(gòu)采用殼單元模擬，管棚支護(hù)注漿管采用索單元模擬，地層采用實(shí)體單元模擬。同時(shí)，采用軟件內(nèi)置的空模型，按照0.5m進(jìn)尺進(jìn)行隧底換拱，先模擬破拆底部仰拱，然后實(shí)施向下擴(kuò)挖土體，再增設(shè)新的底部仰拱初期支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)，完成該段的換拱過(guò)程，之后不斷的往復(fù)循環(huán)直至整個(gè)完成整個(gè)區(qū)間隧道換拱。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 隧底仰拱置換施工誘發(fā)的地表沉降分析

隧底仰拱置換施工，破拆底部仰拱擾動(dòng)了原隧道初支結(jié)構(gòu)，擴(kuò)挖土體又造成隧道圍巖的卸荷，改變了原隧道初支結(jié)構(gòu)及臨近雨水管道的應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)的地表沉降數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖1 所示。

圖1 隧底仰拱置換誘發(fā)的地表沉降變化規(guī)律

由圖1（a）可見(jiàn)，隧道上方橫向地表沉降隨仰拱置換距離增大均呈兩階段變化特征，初始快速增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)的換拱距離不大于隧道寬度，并且，距換拱起始位置越近，地表沉降越大，而距隧道中線的橫向距離越大，地表沉降越小。由圖1（b）可見(jiàn)，在管道正上方，距離隧道中線越遠(yuǎn)，隧底仰拱置換誘發(fā)的地表沉降越小，例如，隧底仰拱置換距離達(dá)到49m 時(shí)，距離隧道與管道正交位置分別為0m、5m、10m、15m、20m、35m 時(shí)對(duì)應(yīng)的地表沉降分別為3.7cm、3.2cm、2.8cm、2.7cm、2.6cm、2.5cm，這說(shuō)明由隧道仰拱置換施工誘發(fā)的管道周圍土體變形符合就近原則，即距離施工卸荷位置越近，沉降變形越大。同時(shí)，各計(jì)算點(diǎn)沉降隨仰拱置換距離的增大也呈先初始快速增長(zhǎng)而后逐漸趨穩(wěn)的變化特征，初始快速增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)的換拱距離不大于5m，小于隧道寬度。

3.2.2 隧道結(jié)構(gòu)變形特征分析

按照0.5m 進(jìn)尺進(jìn)行隧底仰拱置換施工過(guò)程中，未破拆的隧道上部初支部分及已新置換部分必然會(huì)受到換拱施工的影響，其沉降變化如圖2所示。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)沉降變化規(guī)律

由圖2（a）可見(jiàn)，不同斷面處隧道拱頂?shù)某两惦S仰拱置換距離的增大基本呈兩階段變化特征，起始位置、15m 處、49m 處拱頂沉降初始快速增長(zhǎng)段對(duì)應(yīng)的仰拱置換距離分別為40m、22m、28m，沒(méi)有表現(xiàn)出一致性。同時(shí)，距離隧底仰拱置換起始位置越近，隧道拱頂沉降越大，例如，換拱距離為49m 時(shí)，起始位置、15m 處、49m 處的隧道拱頂沉降分別為6.1cm、4.9cm、3.4cm，這實(shí)際上已經(jīng)超出了隧道拱頂初支結(jié)構(gòu)的承受能力。由圖2（b）可見(jiàn)，隧底新置換部分的沉降隨著換拱距離的增大也近似呈兩階段變化，其初始快速增長(zhǎng)階段對(duì)應(yīng)的仰拱置換距離均約為6m，小于隧道寬度，并且換拱過(guò)程中新置換底部仰拱沉降顯著小于隧道拱頂沉降，如完成49m 換拱時(shí)起始位置處新置換隧底沉降僅為1.4mm。這是因?yàn)槭┕み^(guò)程中，每段圍巖荷載全部由拱頂承受，而原隧道拱頂僅完成初期支護(hù)襯砌的250mm 厚網(wǎng)噴C25 早強(qiáng)混凝土，防護(hù)能力較弱。因此，施工過(guò)程中應(yīng)增加臨時(shí)豎向支撐，以減小未破拆部分隧道拱頂沉降。

3.2.3 管道、堵頭墻及注漿管棚受力與變形分析

本項(xiàng)目隧底仰拱置換逐漸循環(huán)逼近雨水管道，相當(dāng)于管道側(cè)向遠(yuǎn)場(chǎng)不斷地開(kāi)挖卸荷，對(duì)管道、封堵管道的墻體，支撐管道的管棚都將產(chǎn)生影響，數(shù)值計(jì)算結(jié)果如圖3～圖5 所示。

圖3 管道結(jié)構(gòu)受力與變形規(guī)律

圖4 管道側(cè)堵頭墻沉降響應(yīng)規(guī)律

圖5 管道底管棚受力與變形云圖

由圖3（a）可見(jiàn)，在管道與隧道正交斷面，管道頂、側(cè)、底的沉降隨著隧底仰拱置換距離的增大先快速增長(zhǎng)而后趨于穩(wěn)定，曲線變化拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的仰拱置換距離約為10m。同時(shí)，完成49m 仰拱置換時(shí)管道頂、側(cè)、底的沉降值分別為9.4mm、9.1mm、9.1mm，差別很小，這是因?yàn)?.4m 直徑鋼筋混凝土雨水管道自身較大的剛度減少了結(jié)構(gòu)差異變形。由圖3（b）可見(jiàn)，完成49m 仰拱置換時(shí)管道頂、側(cè)、底的最大彎矩分別為153.55MNm、-55.93MNm、272.03MNm，這說(shuō)明管道頂?shù)自谒淼姥龉爸脫Q施工期間成受拉狀態(tài)，而側(cè)面處于受壓狀態(tài)，受力差異程度較大，對(duì)管道結(jié)構(gòu)安全不利，應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)襯加固，以防止管道開(kāi)裂。

由圖4 可見(jiàn)，在管道側(cè)堵頭墻頂、底沉降隨著換拱距離的增大也近似呈兩階段變化特征，初始快速增長(zhǎng)段對(duì)應(yīng)的換拱距離約為25m，完成49m 換拱時(shí)，堵頭墻頂、底的沉降僅為3.3mm、3.4mm，與圖2～圖3 對(duì)比可知，明顯小于管道和隧道拱頂沉降，這從側(cè)面說(shuō)明堵頭墻在隧底仰拱置換施工過(guò)程中能對(duì)管道起到安全防護(hù)作用。

由圖5（a）可見(jiàn)，隧道完成49m 底部仰拱置換時(shí)，在管道底部設(shè)置的5m 長(zhǎng)注漿管棚承受的最大荷載為-41.76kN，最小荷載為-9.91kN，顯然，在臨近管道一側(cè)換拱開(kāi)挖卸荷，造成了注漿管棚受壓，并且管道正下方承受的壓力最大。由圖5（b）可見(jiàn)，完成49m 隧底仰拱置換時(shí)，注漿管棚近管道側(cè)的沉降為9.3mm，而遠(yuǎn)離管道和隧道一側(cè)的沉降卻達(dá)到3.2cm，這與注漿管棚的受力狀況是相反的，是因?yàn)閯偠群艽蟮墓艿澜Y(jié)構(gòu)的“棚戶”減少了其下部注漿管棚的沉降，但遠(yuǎn)側(cè)則沒(méi)有管道支撐作用，管棚的沉降就會(huì)因直接承受土體的作用而變得很大，因此，設(shè)計(jì)注漿管棚長(zhǎng)度，應(yīng)該考慮管道尺寸大小，不宜過(guò)長(zhǎng)。

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

在數(shù)值模擬論證隧底仰拱置換方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，施工時(shí)對(duì)雨水管道附近地表及初支隧道拱頂沉降進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便根據(jù)變化規(guī)律采取進(jìn)一步應(yīng)急安全措施。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6 所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由圖7（a）可見(jiàn)，隧底仰拱置換過(guò)程中，在施工方向，距離管道中心3m 處的地表沉降在-2～5mm 之間變化，隨著距離隧道中心距離的增大，地表沉降的變化幅度越小，這說(shuō)明整個(gè)隧底仰拱置換過(guò)程對(duì)管道周圍土體擾動(dòng)非常小。由圖7（b）可見(jiàn)，在隧底仰拱置換施工方向一側(cè)的點(diǎn)B 顯著大于相反方向點(diǎn)A 的地表沉降，這說(shuō)明距離隧底仰拱置換位置越近，土體受到施工擾動(dòng)的變形越大，這與數(shù)值分析結(jié)論是一致的。與圖1 對(duì)比可見(jiàn)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的地表沉降遠(yuǎn)小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，這主要是因?yàn)閿?shù)值模擬采取的土體本構(gòu)模型近似處理造成的，但也進(jìn)一步說(shuō)明了本工程按照0.5m 進(jìn)尺進(jìn)行換拱施工對(duì)隧道與雨水管道附近的圍巖擾動(dòng)非常小，在現(xiàn)有地鐵區(qū)間淺埋隧道暗挖誘發(fā)的地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[11]。

圖7 隧底仰拱置換過(guò)程中地表沉降變化特征

如圖8 所示，隧底仰拱置換過(guò)程中，在施工方向，距離管道中心分別為3m 和20m 的原初支隧道拱頂上點(diǎn)B 和點(diǎn)C，前者的沉降明顯小于后者，點(diǎn)C 的沉降在-4～0mm 之間變化，這是因?yàn)樵谑┕し较蛩淼籽龉爸脫Q由遠(yuǎn)及近最先到達(dá)點(diǎn)C，對(duì)該處原初支隧道拱頂結(jié)構(gòu)擾動(dòng)影響就較大。與圖2 對(duì)比可見(jiàn)，隧底仰拱置換過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的隧道拱頂沉降明顯小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果，其變化速率相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明本工程按照0.5m進(jìn)尺進(jìn)行隧底仰拱破拆、置換施工對(duì)原初支隧道結(jié)構(gòu)擾動(dòng)很小。

圖8 隧底仰拱置換過(guò)程中拱頂沉降變化特征

5 結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法，深入研究了黃土中長(zhǎng)距離隧底仰拱置換對(duì)臨近管道的影響，主要結(jié)論如下。

1）采用0.5m 進(jìn)尺進(jìn)行長(zhǎng)距離隧底仰拱置換施工誘發(fā)的地表沉降呈先初始快速增大而后趨于平穩(wěn)的兩階段變化特征，初始階段對(duì)應(yīng)的換拱距離不大于隧道寬度，地表累積沉降在安全控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)。

2）隧底仰拱置換施工對(duì)原初支隧道拱頂?shù)挠绊戇h(yuǎn)大于底部新置換仰拱，在施工中應(yīng)設(shè)置臨時(shí)豎向支撐，以有效防控安全隱患。

3）采用0.5m 進(jìn)尺進(jìn)行長(zhǎng)距離隧底仰拱置換施工誘發(fā)的臨近管道結(jié)構(gòu)沉降非常小。管道側(cè)堵頭墻、管道底管棚及管道結(jié)構(gòu)剛度均減小了隧底仰拱置換對(duì)臨近管道的擾動(dòng)影響，但需要對(duì)管道內(nèi)部實(shí)施加固，以減小長(zhǎng)期暴露的安全隱患。