基于正交分析法的厚冲积层中盾构下穿管廊变形分析*

王国富刘凤洲王丹路林海孙捷城

基于正交分析法的厚冲积层中盾构下穿管廊变形分析*

王国富刘凤洲王丹★路林海孙捷城

（济南轨道交通集团有限公司，250101，济南//第一作者，教授级高级工程师）

针对济南市区特殊洪冲积地质条件，在地铁双线盾构隧道下穿既有市政管廊的情况下，分析了盾构施工引起管廊变形的机理，结合管廊敏感性特点提出了盾构穿越管廊的几种工况及加固措施，并依据正交试验原理对3个指标进行了四因素三水平分析，得出了以下结论：对管廊沉降及管廊转角影响最大的因素是盾构左右隧道施工间距；对管廊周围塑性区面积贡献最大的是盾尾注浆范围。以上结论可为盾构施工穿越变形控制要求严格的市政管廊提供参考。

地铁隧道开挖；盾构施工；地下管廊；结构变形；正交分析

Author′s addressJinan Rail Transit Group Co.，Ltd.， 250101，Jinan，China

在城市中修建盾构隧道时如何降低对地下管线的扰动是隧道工程中的重点和难点。在施工中如何准确预测地下管线的变形、采用何种技术指标保护地下管线及在施工后如何借助控制指标对地下管线的安全性做出评价是一个重要课题。文献［1-2］基于ANSYS程序，建立了隧道支护结构-土体-地下管线耦合作用的三维有限元分析模型，模拟了6种不同的施工方案对地下管线的沉降影响；文献［3］介绍了一种评价隧道开挖对地下管线影响的方法，但在工程应用中略为保守；文献［4］通过数值模拟对隧道下穿电缆管廊进行计算，分析了隧道开挖时管廊的变形沉降规律及地表沉降槽发展情况；文献［5］对复杂地层下隧道穿越管廊进行了风险评估，并提出了施工前采用全站仪定位系统（TSP）和地质雷达进行超前预报及地层预注浆加固等措施；文献［6］通过研究地铁暗挖隧道穿越南水北调管廊的情况，提出了深孔注浆和台阶法环向预留核心土的开挖方法。纵观国内外相关研究成果，盾构下穿市政管廊引起的结构变形分析不多。

本文通过对济南地铁R1线大杨庄区间隧道的双线盾构下穿大型市政管廊情况，在盾构机参数、区间隧道间距、隧道与管廊的空间位置等已确定的前提下，基于正交试验设计原理，利用数值模拟手段分析了地下管廊在不同加固措施及盾构施工方案下的管廊结构及地层变形规律，优选出合理的施工方案。

1 工程概况

济南轨道交通R1线大杨庄区间隧道外径6.4 m，内径5.8 m，左右两线净距7 m，采用土压平衡式盾构施工。在途径的经十西路与齐鲁大道十字路口北侧，埋有截面尺寸为2.5 m×2.5 m、壁厚0.5 m、材料为C20钢筋混凝土的方形市政管廊。管廊顶板距离地面1.5 m，区间隧道顶部与管廊底板竖向间距为6.8 m，管廊延伸方向与区间隧道延伸方向垂直。管廊内部主要铺设有10 kV金杨线、10 kV客信线、220 kV金安线、220 kV清高线输电电缆，主要承担经十路沿线企业的用电。

隧道穿越段地貌主要为山前冲洪积平原，钻探60 m深度范围内揭露地层主要是杂填土、黄土、粉质黏土、细砂及黏土等。区域内地下水主要为承压水和孔隙潜水。孔隙水主要赋存在粉质黏土-黏土层中，承压水主要赋存在细砂-黏土地层中。地层参数如表1所示。

表1 隧道穿越段地层参数

2 管廊变形机理

暗挖隧道施工与地下管廊的相互作用包括地下管廊对土体的锚固作用和土体对地下管廊的反作用两个方面。在隧道开挖完成后，支护结构在未发挥作用之前，隧道处于一种临空状态，隧道开挖引起周围土体的变形及地层缺失，随着隧道向前开挖其影响范围逐渐扩大，导致土层损失向地面发展。当土体沉降传递至管廊处，引起管廊出现支撑力缺失的现象而发生悬空状态，此时会在管廊中出现附加应力和二次弯矩，引起地下管廊变形。地下管廊变形的大小主要取决于土体和管廊的相对刚度以及隧道在管廊处引起的土体沉降大小。当隧道掘进方向平行于管廊延伸方向时，对管廊的影响主要表现为周围土体对管廊的轴向拉压作用；当隧道掘进方向垂直于管廊延伸方向时，对管廊的影响主要表现在管廊周围土体纵向位移引起的管廊弯曲应力增大及接头转角增大。

3 模拟正交试验设计

3.1 数值模型建立

利用有限差分程序FLAC3D软件（3.0版），根据孔洞开挖对地层产生的扰动范围建立三维数值模型［7-8］。如图1所示，模型长（X）×宽（Y）×高（Z）为50 m×50 m×50 m，模型共49 408个单元，55 551个节点。考虑地面车辆荷载因素，在模型上边界施加均布荷载30 kN，四周边界条件为水平连杆连接，底部为固定铰支座连接。土层按地质资料概化为6层，初步计算参数按表1确定。假设材料服从摩尔-库伦准则［9］。管廊与盾构管片采用实体单元，在管廊四周与管片外部设置接触面。

图1 正交试验3D数值模型

3.2 正交试验影响因素及水平确定

正交试验设计是基于方差分析的一种方法，其优点是试验点散布的“均匀性”和“整齐性”［10］。由理论分析知，盾构施工引起的地层沉降是导致管廊变形的主要外在因素。盾构在未达到管廊正下方时，由盾构挤压力引起的地层上隆也会引起地层变形，导致管廊扭曲，因此，盾构隧道施工方案及管廊主动加固措施均是影响管廊变形的因素。经专家论证及现场调研，拟确定4项主要因素：管廊注浆范围，盾构管片施做步长、区间隧道施工间距，盾尾注浆范围。各因素均分为4个水平进行试验。

管廊周围注浆是对结构采取主动加固，通过提高地层抗扰动能力而等效增加管廊强度。考虑降低工程造价等要求，将该因素分为：代号①在管廊两侧及底板1 m范围内注浆加固；代号②在管廊两侧及底板2 m范围内注浆加固；代号③在管廊两侧及底板3 m范围内注浆加固。根据上海盾构隧道施工经验，盾构推进过程中应力释放率在0%～30%之间［11］，而管片施做时机是控制地层应力释放率的关键因素。结合现场施工设计情况，将盾构管片施做步长分为3个因素：代号a盾构每次推进1.2 m施做管片；代号b盾构每次推进2.4 m施做管片；代号c盾构每次推进3.6 m施做管片。设计的区间隧道位置处于工程性质不稳定的杂填土层中，对施工扰动较为敏感，因此，将两隧道施工间距分为如下3个因素：代号Ⅰ左右盾构隧道同步施工；代号Ⅱ先施工左隧道，再施工右隧道；代号Ⅲ左右隧道相距4 m同步施工。盾尾注浆范围影响到周围岩层位移，为控制土体变形，将注浆范围分为3个因素：代号ⅰ盾尾注浆范围为1 m；代号ⅱ盾尾注浆范围为2 m；代号ⅲ盾尾注浆范围为3 m。

3.3 试验考察指标确定

管廊结构对变形要求严格，因此确定3项试验指标进行分析：①管廊最大挠度值（l）；②管廊转角（φ）；③管廊周边土体塑性区面积（S）。指标l反映了管廊最大沉降值及管廊所处的安全状态，指标φ联合指标l能确定管廊的变形范围及最大扭转弯矩和应力集中位置，指标S反映了注浆加固效果及管廊维护的难易程度。

3.4 正交试验表确定

试验总计4项因素，每项因素3个水平，需采用L9（34）正交表。试验的总数及因素布置方案如表2所示。

3.5 模拟试验结果分析

各个指标在9次正交试验中的结果数据统计如表3所示，其中管廊的最大沉降值根据在管廊上布置的监测点进行量测，最大扭转角根据管廊自身弯矩及轴力换算得到，管廊周围的塑性面积通过FISH语言自动计算输出。为了更为直观地了解管廊在盾构施工过程中的变化规律，以9号试验为代表，研究盾构隧道在施工时管廊的沉降变形及周边土体沉降变形特点。

表2 正交试验方案设计表

在盾构施工之前，对管廊周围进行范围为3 m的注浆加固，然后盾构左线隧道提前施工，以3.6 m为循环进尺并拼装管片，同时以1 m的范围对盾尾进行注浆加固。图2为盾构左线隧道先施工，然后右线隧道施工完成之后的竖向位移云图。由图2可见，在右线隧道开挖完成后上部土体沉降范围扩大，但由于管廊的存在，沉降扩展路径被管廊隔断，在管廊位置出现明显的分界面。并且，左右隧道顶部竖向位移出现贯通，先开挖的左线隧道位移沉降范围因右线隧道的施工而向右线发展，说明右线隧道施工对左线沉降产生二次影响。

图2左右线隧道施工沉降位移云图

图3 为左右隧道施工完成后的管廊沉降曲线图，其中曲线并不与管廊中点对称，且在管廊的正中点位置沉降量较小，整个曲线呈现“W”型。

根据表3给出的结果，遵循极差计算公式，计算得到每项试验中各因素对指标的贡献值或者敏感程度，得到各因素下指标的计算结果如表4所示。

图3 管廊沉降位移曲线

表3 模拟试验结果统计

表4 各因素对指标的贡献值

由表4可见，对于管廊最大竖向沉降影响程度从大到小依次是：隧道施工间距＞管片施做步长＞盾尾注浆范围＞管廊加固范围。对于管廊最大扭转角影响程度从大到小依次是：隧道施工间距＞管廊加固范围＞盾尾注浆范围＞管片施做步长。对于管廊周围的塑性区面积影响程度大小依次为：盾尾注浆范围＞管廊加固范围＞管片施做步长＞隧道施工间距。左右盾构隧道施工的顺序对周围岩土体的扰动最为剧烈，并且施工顺序的先后会对土体位移产生二次扰动，对管片的沉降及扭转角贡献最大，故在施工中应合理确定左右隧道的施工方案。盾尾注浆主要控制因隧道开挖引起的地层体积损失率，在施工的同时进行较大范围的盾尾注浆，能有效地阻止上部土体的应力释放，从而减少管廊周围的塑性区范围。

4 结语

综上所述，考虑到该工程尚未施工，以上结论可为济南市区厚冲积黏土地层盾构下穿管廊施工加固方案提供参考。为了保证市政管廊的微变形应首先考虑盾构隧道的施工间距，并应根据管廊的变形控制范围和经济效益来选择合理的盾尾注浆加固范围。因市政管廊埋入地下年数已久，在进行管廊注浆加固时，应根据管廊观测结果进行反馈，防止注浆压力过大破坏管廊侧壁而导致浆液进入。

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Deformation Analysis of Shield Tunnel Crossing Underground Utility Tunnel in Thick Alluvial Based on Orthogonal Analysis

WANG Guofu，LIU Fengzhou，WANG Dan，LU Linhai，SUN Jiecheng

Based on the characteristics of thick alluvial strata of Jinan City when a double-line shield tunnel crosses the underground utility tunnel，the deformation mechanism of underground utility tunnel is analyzed.Some construction method and reinforcement measures are proposed，the orthogonal principle is used to analyze three main construction indexes，under the condition of four factors and three levels.It is concluded that the most influential factor for the settlement and rotation of the utility tunnel is the turn of right and left tunnels，while the biggest contribution to the plastic zone is made by the range of grouting at the tunnel end.The conclusion above can serve as a reference for the construction of tunnel crossing the utility tunnel under strict demands.

metrotunnelexcavation；shieldconstruction；undergroundutilitytunnel；structuraldeformation；orthogonalanalysis

TU433；U455.43

10.16037/j.1007-869x.2017.08.005

2015-09-06）

*山东省自然科学基金项目（ZR2014EEM029，ZR2014EEQ028）；山东省住房城乡建设科技计划项目（2017-K4-009，KY053）；住房城乡建设部项目（2015-K5-004）

*王丹为本文通讯作者