隧道盾构施工对邻近管线群位移影响的模型试验研究

吴跃东,王海苏 鹏

(1.大连交通大学土木工程学院,大连 116028； 2.北京交通大学隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京 100044)

引言

随着中国城镇化的快速发展，人口密度不断增大，大中城市面临着日益严重的交通拥堵问题。国内外一些超大城市及大城市普遍采用修建地铁这一有效方法来缓解交通压力。许多城市已经完成并开通了多条线路，大量的城市开始规划并修建地铁[1]。城市中心地带的地面建设、地下管线的铺设早已具有一定的规模，地铁区间隧道穿越地下管线的现象十分普遍。隧道开挖引起土体损失引起地层变形，地层变形带动管线发生共同变形[2，3]。管线变形超过变形允许值时，导致管线发生破坏，会造成重大经济损失以及严重后果。因此研究地铁隧道施工对地下管线的影响是地下工程建设面临的一项重要课题。

目前，国内外学者针对隧道施工引起地下管线变形这一课题已经取得了一定的研究成果[4-7]。马林[8]采用有限差分软件对盾构法施工进行数值计算时充分考虑了管线对施工的影响。王正兴[9-10]等通过室内模型试验与数值模拟，分析砂土中隧道施工时管线与土体相互作用的机理。并提出管土相对刚度的计算式。Vorster[11]在考虑土体非线性变形的基础上提出了隧道施工诱发管道变形而产生的最大弯矩计算的上限方法，并与离心模型试验进行了对比分析。魏纲[12-14]对盾构法隧道施工引起的土体损失率及沉降槽宽度系数进行研究，推导出盾构法施工对地下管线各因素产生影响的计算公式。赵智涛[15]结合现场实测和数值模拟对管道变形和管道以上地层位移变化规律进行了总结，并建立了管道和地表位移比值与管土相对刚度的经验公式。张桓等[16-17]通过将Pasternak地基和Winkler地基的解析计算结果、数值计算结果和工程现场实际测量得到的数据进行对比，证明了Pasternak地基模型的优越性。沈俊杰[18]通过有限元软件对盾构机多次下穿管线群进行了基本的数值模拟。上述对管线的研究多集中在单一管线方面，考虑管线之间影响的研究较少。针对这一问题，开展了砂土地层盾构施工对邻近管线群影响的室内模型试验，研究了隧道盾构垂直下穿既有管线时对管线竖向沉降的影响，并充分考虑了不同管线间距对竖向沉降的影响规律，以期为砂土地层隧道施工对既有埋地管线的保护提供技术支持。

1 模型试验设计

1.1 模型箱设计与制作

本次模型试验参考了在砂土地层地铁盾构施工中典型的土压平衡式盾构机设计参数，刀盘直径6.4 m，管片外径6.2 m，综合考虑各种因素，选取相似比例为1∶32，拟定隧道开挖直径为20 cm，根据以往经验[19-20]，隧道开挖的扰动范围两侧为4倍直径，下部为3倍直径，以此为依据设计模型箱尺寸为1.5 m×1.5 m×1.2 m(长×宽×高)，模型箱四周采用厚度为20 mm的钢化玻璃制作而成，在箱底上方50 cm处，前后分别预制直径为20 cm圆孔进行模拟隧道开挖。

1.2 模型管线的选取

经过多次比选，最终确定采用PPR管材模拟混凝土管，PVC管材模拟铸铁管。管线参数如表1所示。

表1 原型管线、目标管线和模型管线参数

1.3 隧道开挖系统

隧道施工对管线产生影响的方法为：将φ20 cm PVC管和φ18 cm的铸铁管嵌套预埋在土层中，两管之间的空隙无土体填充，外管模拟盾构外壳，内管模拟隧道衬砌，保持内管不动，外管一端通过连接手拉葫芦等施力装置以5 cm为一进尺，将外管缓慢均匀拔出，试验通过土体逐步进入管间空隙，实现盾构开挖造成土体损失的模拟，逐步实现开挖的效果。

1.4 土层填筑与装置铺设

在填筑砂土前首先进行砂土压实试验，当自然摊铺土层厚度约为7 cm，压实量为2 cm时达到要求。参照上述试验结果进行土体填筑，以7 cm为初始摊铺厚度，直至土层厚度为5 cm，同时在砂土填至试验箱孔洞位置时，将φ20 cm PVC管线及φ18 cm白铁铸铁管嵌套放置在试验箱内，PVC管内置长度为1.1 m，外部剩余25 cm，且预先在剩余部分通过钻孔用来连接拉拔装置。用海绵粘贴在外管端口内壁，保证隧道模拟开挖前无砂土进入两管空隙间，模型试验装置如图1所示。砂土的物理参数经土工试验确定如表2所示。

图1 模型箱

表2 砂土填料参数

1.5 量测内容

为避免沉降杆与土体摩擦而影响变形，采用保护套隔离土体与沉降杆。采用YHD-50型位移传感器和DHPMC静态数据采集仪等量测仪器测量管线沉降。选取模型箱中间位置对称布设测点，监测仪器如图2所示，测点布设图如图3所示。根据我国GB50289—2016《城市工程管线综合规划规范》[21]所规定的给水管线与污水管线的最小水平净距为1.5 m，经过比例计算二者最小值为4.69 cm。故在纵向方向上，选取两根管线间距分别为5，10，15 cm进行试验，试验工况如表3所示。

图2 监测仪器

图3 测点平面布置 (单位：mm)

表3 横向管道试验工况

2 试验结果分析

2.1 隧道垂直下穿单一管线

工况1中管线各监测点竖向位移随隧道盾构开挖进程的关系如图4所示。从图4可以看出，当隧道初始开挖时，由于距离管线较远，所以对管线影响很小，但由于外管的拉拔对土体产生扰动，故隧道轴线上方产生了一定的位移。当隧道开挖距离管线d=20 cm时，即盾构开挖面距离管线(1～0)D(D为外管直径)。各监测点出现明显沉降，这主要是由于外管与内管之间的空隙引起土体损失导致的。当盾构开挖面超过管线距离d>20 cm时，管线沉降趋于平缓。

图4 各监测点竖向变形随盾构施工过程的发展

工况2的各监测点竖向沉降与盾构开挖进程的规律总体上与工况1相近。对隧道最终沉降曲线进行分析可以看出，管线垂直下穿单一埋地管线，管线的最大竖向位移发生在隧道轴线的正上方，采用高斯曲线对工况1、工况2的管线最终沉降曲线进行拟合取得了很好的效果，如图5所示。表明了隧道盾构对与其垂直埋地管线的影响可以用如式(1)所示的高斯曲线进行表示

1)

式中，Smax为管道的最大沉降量；i为隧道纵向变形反弯点的位置；w为任一点的沉降；x为该点与轴线的距离。

图5 管线最终竖向沉降曲线和Guass 拟合曲线

从图5可以看出，管线竖向沉降的反弯点位置出现在与隧道轴线水平距离略小于1倍隧道直径的位置处。同时管线刚度不同，对于管线最大沉降量与沉降槽宽度都有影响，管线刚度相对小的可以更好适应土体的变形，最大沉降量也相对更大一些。沉降槽宽度相对更小。

2.2 不同管线间距对管线最大位移的影响

在工况1、工况2的基础上，进行工况3～工况8探究隧道盾构垂直下穿双管线时对管线变形的影响，不同管线间距情况下双管线最终沉降曲线如图6、图7所示。

图6 PVC管线的最终沉降曲线

图7 PPR管线的最终沉降曲线

从图6和图7可以看出：当隧道埋深为32 cm时，PVC管线的最大位移为6.54 mm，PPR管线的最大位移为8.02 mm，当周围存在管线时，二者的位移都大幅度减小，PVC管线的最大沉降减少幅度达到19.9%，PPR管线的最大沉降减少幅度达到30%，周围管线的存在对既有管线沉降的抑制作用非常明显。且管线间距越小对既有管线的影响越明显。通过对比图中管线间距为5，10，15 cm的3条拟合曲线可以明显看出，管线的存在对既有管线的影响与管线间距并不是成线性关系。

2.3 管线间距对管线最大沉降的影响

管线受到盾构开挖引起的地层损失的影响时，双管线与单一管线相比，双管线中周围管线通过管-土-管的传力机制而相互影响着，并且形成管-土-管共同的受力体系。管线之间相互影响的关系可以用下式表示

sp=f(x)·Smax

(2)

式中，sp为管线最终沉降；f(x)为管线间距影响系数；Smax为管道的最大沉降量。

将工况1～工况8管线最大沉降量进行归一化分析，得到曲线如图8所示。

图8 不同管线间距下管线最大沉降分布规律

从图8可以看出，管线间距与管线最大沉降量的影响系数并不是线性关系，运用式(3)进行拟合，可以看出管线间距对管线最大沉降系数的影响规律与式(3)部分曲线变化规律很好吻合。

3)

式中，x为管线间距；α为极限状态下的最小影响系数；β约为3/4倍盾构直径；γ取1.2～2.0。

3 结论

(1)隧道盾构开挖垂直下穿单一埋地管线时，管线在隧道开挖下产生明显的竖向沉降，管线的最大竖向沉降发生在隧道轴线的正上方并关于隧道轴线大致呈对称分布，管线的沉降曲线形态基本符合高斯曲线的特征。

(2)隧道盾构开挖垂直下穿双埋地管线时，管线的沉降都大幅度减小，周围管线的存在对既有管线沉降的抑制作用非常明显，且管线间距越小对既有管线的影响越明显。

(3)管线间距对与管线最大沉降量的影响系数并不是线性关系，根据试验结果，建立了管线间距对双管线变形影响的计算公式，更加符合实际工程中管网密布的现状，可为砂土地层隧道施工时对既有埋地管线的保护研究提供参考。