梁 涵

（中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

引言

隨著社會的快速發(fā)展，城市的交通擁堵現(xiàn)象日益明顯，而地鐵以其低碳安全、準時快捷、乘客量大、能源消耗低等優(yōu)勢，被廣泛認為是緩解交通壓力的有效方法。面對新一輪建設(shè)規(guī)劃的批復，越來越多的地鐵線路投入到建設(shè)中，周邊環(huán)境越來越復雜，各類難題也不斷出現(xiàn)。盾構(gòu)施工會對地層產(chǎn)生擾動，地層位移會對密布的城市地下管線形成較大威脅，很多學者對此做了大量工作[1-3]，取得了一定的成果，采用的方法有經(jīng)驗公式、模型試驗、下穿實測、數(shù)值計算等，吳波[4]等通過模型試驗，建立了隧道結(jié)構(gòu)-土體-地下管線耦合作用的三維有限元分析模型，賈瑞華[5]借助ABAQUS 用位移加載法模擬隧道開挖對管線的影響，彭基敏[6]等利用ANSYS 探討了盾構(gòu)推力、注漿程度等因素的影響。但已有研究大多為管線下穿和平行，對大直徑、小角度下穿的隧洞結(jié)構(gòu)管道情況鮮有涉及。作為2 號線二期周邊重大風險，輸水管道承載著市內(nèi)70%的生活用水，管道安全關(guān)乎全市政治、經(jīng)濟、民生和社會穩(wěn)定大局，保護好管道安全運行意義重大。

1 工程背景

1.1 工程概況

擬建地鐵區(qū)間左線長1 597.225 m，右線長1 593.704 m，線間距5～16.0 m，區(qū)間含有三處平曲線，最小曲線半徑為600 m，線路含一處豎曲線，最大縱坡22.946‰。區(qū)間由盾構(gòu)井始發(fā)，由南向北掘進至680 m 處開始斜下穿三根輸水管道，夾角為29°，隧道結(jié)構(gòu)與管底最小距離為7.85 m。關(guān)系圖見圖1。

圖1 區(qū)間與輸水管道平面關(guān)系

1.2 工程水文地質(zhì)概況

下穿管線處地層自上而下依次為1-2 素填土、3-1-1 新黃土、3-2 古土壤、4-1-1 老黃土、4-2-1 古土壤、4-1-2 老黃土層，地下水埋深約38.8 m，位于輸水管下方約17.3 m，隧道范圍內(nèi)各土層修正后圍巖分級為Ⅵ級，巖土施工工程分級為Ⅲ級。

1.3 下穿處輸水管現(xiàn)狀情況

區(qū)間盾構(gòu)隧道斜下穿三根輸水管道（兩根Ⅰ期，1根Ⅱ期），夾角為29°，輸水管道為混凝土馬蹄形斷面，壁厚0.3 m，Ⅰ期內(nèi)凈空寬和高均為2.7 m，Ⅱ期內(nèi)凈空寬和高均為2.5 m?；炷敛捎肅20，礦山法施工。輸水管信息詳見表1。

表1 輸水管隧洞結(jié)構(gòu)尺寸及工程材料

2 變形控制標準研究

2.1 輸水管道變形承受能力分析

為了評估管道一期隧洞不均勻變形的承受能力，在數(shù)值計算中通過減弱土層剛度，根據(jù)隧洞結(jié)構(gòu)的最大拉應力達到極限值時的變形狀態(tài)來反算最大沉降?？紤]一期少陵塬隧洞建成通水時間較長，且為素混凝土結(jié)構(gòu)，砼標號為C20，結(jié)構(gòu)抗拉強度設(shè)計值取C20的75%，即1.10×0.75=0.825 N/mm2=825 KPa。

本節(jié)采用SAP84 有限元分析軟件，反算輸水管結(jié)構(gòu)變形承受能力。計算考慮模型邊界效應，主要以輸水管道結(jié)構(gòu)的壓應力及差異沉降為分析對象，輸水管道的應力位移云圖及豎向位移云圖見圖2、圖3。

圖2 管道一期隧洞反最大應力極限值云圖

圖3 管道一期隧洞反算最大應力極限值所對應沉降云圖

由以上計算結(jié)果圖可知，盾構(gòu)區(qū)間下穿輸水管，當輸水管結(jié)構(gòu)拉應力接近臨界值825 KPa（位于拱底位置，813 KPa）時，隧道差異沉降值為（12.4-2.2）/15 000=0.068%。

2.2 輸水管道變形控制值

周邊環(huán)境的變形控制值應根據(jù)環(huán)境對象的類型與特點、結(jié)構(gòu)形式、變形特征、已有變形、正常使用條件，并結(jié)合環(huán)境對象的重要性、易損性及相關(guān)單位的要求進行確定。對重要的、特殊的或風險等級較高的環(huán)境對象的變形控制值，應在現(xiàn)狀調(diào)查與檢測的基礎(chǔ)上，通過分析計算或?qū)ｍ椩u估確定。

根據(jù)前文所述，輸水管道隧洞風險等級為Ⅰ級，同時參考地鐵四號線盾構(gòu)下穿輸水管道專項施工方案論證會專家意見及施工監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，本文初步擬定區(qū)間盾構(gòu)下穿輸水管道一期隧洞引起的隧洞結(jié)構(gòu)素混凝土段沉降累計控制值取8 mm，沉降變化速率控制值為1.8 mm/d，差異沉降控制值取0.2%；區(qū)間盾構(gòu)下穿輸水管道二期隧洞引起的隧洞結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土段沉降累計控制值取為10 mm，沉降變化速率控制值為2 mm/d，差異沉降控制值取0.25%。

3 變形影響因素分析

大量的工程實踐經(jīng)驗表明，盾構(gòu)施工引起的主要變形發(fā)生在盾構(gòu)通過階段，該階段變形一般占總變形量的60%以上，產(chǎn)生變形的主要原因是隨著掘進盾尾向前移動，導致管片與圍巖間形成間隙造成圍巖松動和下沉，所以，盾構(gòu)施工時，注漿是關(guān)鍵，施工時要及時壁后注漿與填充。施工實踐證明，同步注漿對抑制地表下沉效果明顯。

同時區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿地層主要為古土壤及老黃土層，土質(zhì)密實，無引起非正常地層損失的不利地質(zhì)因素。結(jié)合全國地鐵工程施工經(jīng)驗，并根據(jù)西安地鐵實踐情況，盾構(gòu)施工過程中引起的地層損失可控。

4 變形計算

4.1 數(shù)值模擬

本節(jié)采用MIDAS NX 有限元分析軟件建立區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿輸水管道的三維有限元分析模型，模型尺寸：X、Y、Z 方向上長度分別約為250 m、150 m、60 m。邊界約束：底部約束X、Y、Z 方向位移，四周約束X、Z 方向位移，上表面為自由面。土體均采用實體單元模擬，輸水管道結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)襯砌均采用板單元模擬。模型中輸水管道和盾構(gòu)隧道的相對位置關(guān)系見圖4。

圖4 三維有限元分析模型

4.2 計算參數(shù)

模型共分9 個土層，各土層物理力學參數(shù)根據(jù)地勘報告取值，彈性模量一般取壓縮模量的3～5 倍，本次計算取5 倍。

4.3 計算方案與模擬工序

計算模擬中，盾構(gòu)左、右線均采用分段的方式模擬，每一段長度為3 m，模擬工序為先掘進右線，待右線施工完后，再掘進左線。依次添加掘進壓力、注漿壓力、千斤頂力。

4.4 計算結(jié)果與分析

本次計算考慮模型邊界效應，主要以輸水隧洞結(jié)構(gòu)的中心豎向沉降為分析對象。模擬正常掘進變形計算和變形控制值強度驗算兩種工況。輸水管道位移云圖見圖5、圖6。

圖5 輸水管道隧洞結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖6 輸水管道隧洞結(jié)構(gòu)水平位移云圖

由以上計算結(jié)果圖表可知，盾構(gòu)區(qū)間下穿輸水管，輸水隧洞結(jié)構(gòu)的中心豎向沉降為3.5 mm，最大水平位移為1.6 mm。

由圖7 可知，輸水管隧洞襯砌在控制值變形情況下最大拉應力約為338 KPa（小于C20 混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值825 KPa），位于襯砌拱底部位。隧道差異沉降值為（3.67-1.22）/15 000=0.016%。

圖7 隧洞結(jié)構(gòu)在控制值變形情況下襯砌應力圖

5 結(jié)論

本文針對地鐵區(qū)間下穿大斷面輸水管道施工工法選擇、施工保護措施、管道變形控制標準等內(nèi)容進行了研究，結(jié)合類似工程經(jīng)驗、產(chǎn)權(quán)單位及專家意見，通過MIDAS NX 軟件對設(shè)計方案進行了數(shù)值模擬驗證，通過分析得出以下結(jié)論：

（1） 對于大斷面管道，應先根據(jù)運行情況等因素，通過折減，反算管道結(jié)構(gòu)對不均勻變形的承受能力。

（2） 在變形承受能力的基礎(chǔ)上，重考慮管道的重要程度，制定合理的變形控制值。

（3） 通過模擬計算分析驗證。

綜上所述，從工程類比經(jīng)驗來看，采用盾構(gòu)施工工法對輸水管道的保護有成熟的經(jīng)驗可以借鑒和參考，通過分析工程風險特點采取對應的措施，可以實現(xiàn)施工期間安全下穿及后期安全運營的目標。