富水圆砾地层地铁盾构隧道施工对既有管线变形影响规律分析

高 涛

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，100101，北京//高级工程师)

地铁盾构隧道施工大多处于较为繁华的地带，周边建筑物及错综复杂的地下管网给地铁隧道的安全施工带来了严峻挑战，因此研究地铁盾构隧道施工对邻近管线的变形影响规律具有重要工程应用价值[2]。本文采用有限差分法，结合现场监测就南宁地铁盾构隧道施工对不同距离的既有管线变形的影响规律，提出相应的控制措施，以此来保证富水圆砾地层区既有管线的正常使用和地铁盾构隧道的施工安全。

1 工程背景

1. 1 工程概况

以南宁轨道交通2号线某富水圆砾地层双线隧道区间为工程背景。该区间总长为588.48 m，盾构外径为6 180 mm，线间距为16.0～16.9 m，隧道埋深为11.4～16.4 m。双线隧道采用土压平衡盾构施工方式先后进行开挖，并配备换刀和防喷涌装置。富水圆砾地层盾构施工时，掌子面不稳定易坍塌，存在碰到漂石或孤石的概率，因此采取了以下措施：①改良渣土颗粒级配，以增加其流塑性，降低透水性，减小刀盘摩擦与扭矩；②提高刀具破岩和耐磨能力，提高带压进仓和常压进仓等相关预项方案实施的安全性；③先施工左线，后施工右线。

根据现场实际情况，发现与区间隧道平行、垂直的既有管线较多，分别位于主干道和交叉路口的下方。隧道区间的不同断面都存在既有管线，其中：给水管线中心埋深为1.5 m，采用DN 800 mm预应力混凝土管；污水管线中心埋深为5.5 m，采用DN 800 mm钢筋混凝土管。两种管道壁厚均为10 cm，且与隧道垂直。地铁区间隧道与管线的相对空间位置剖面见图1。

图1 地铁区间隧道与管线的相对空间位置剖面图

1. 2 工程地质及水文地质条件

该区间场地位于为邕江低级阶地，场地内地势起伏不大，分布有厚状圆砾层，该土层有地下水的良好通道，与邕江水联系密切，并具有富水性好、透水性好、水量大且略具承压性等特点。区间隧道主要穿越的土层为圆砾层，隧道上方的土层依次为杂填土、素填土、粉质黏土、粉土、粉细砂及砾砂；隧道下方的土层为粉砂质泥岩，最大勘察深度为41.5 m，水位埋深为4.3～18.0 m，标高为56.66～72.17 m。各地层物理力学参数见表1。

表1 地铁隧道区间地层物理力学参数表

2 监测方案及数值模拟计算

2. 1 现场监测方案

按照工程监测等级划分要求，综合评定本工程监测等级为一级。道路地表及管线的监测范围均取1.0倍隧道埋深。现场监测点布置见图2。

2. 2 数值模拟计算模型

采用有限差分FLAC3D软件进行数值计算，模型沿隧道横向取64.0 m，沿隧道纵向取60.0 m，高度取36.0 m，模型尺寸为64.0 m×60.0 m×36.0 m。根据管线所在位置不同，分别建立管隧垂直下管线埋深变动的三维计算模型，如图3所示。模型中的岩土体材料按弹塑性理论并符合摩尔-库仑准则,盾构隧道的管片与管线采用shell单元进行模拟。

图2 地铁区间隧道和管线监测点平面布置图

图3 地铁区间隧道与管线的三维计算模型

2. 3 边界条件和模型参数

设置模型边界条件为：前后及两侧约束水平位移；底面边界约束水平和竖向位移；模型上边界为地表，其为自由边界。地下水位取-4.5 m，为使模型与实际施工过程相接近，采用2组环形单元体近似代替隧道管片和壁后注浆，其厚度分别为300 mm和125 mm；支护力取0.21 MPa，注浆压为0.2 MPa。模型中的材料单元力学参数见表2[6]。

表2 管片、注浆层和管线的力学参数

2. 4 盾构施工的模拟方法

盾构施工过程即随着盾构推进隧道土体被开挖而使周围土体因扰动产生位移的过程。为了使模拟过程与实际过程相吻合，此次模拟考虑超挖、注浆压及浆液初凝与终凝时间，根据实际工程进度，分别在第4和第8环认定为初次硬化和最终硬化；整个施工过程都在恒定支护力下进行地铁隧道盾构开挖，激活管片单元同时进行土体应力的释放。该模型盾构掘进方向施工总长60.0 m，每步长1.5 m，分为40步进行开挖。

3 现场监测结果与模拟计算结果对比分析

3. 1 同直径、不同埋深下管线的沉降规律

在数值模拟计算中，在处于不同深度的管线位置布置监测点。通过数值模拟计算，各种工况下管线最终沉降量，左、右线隧道贯通后的管线沉降量如图4所示。

图4 左、右线隧道贯通后管线沉降量变化模拟曲线

左线隧道贯通后，随着管线与隧道的间距逐渐减少，管线的最大沉降量逐渐增加，最大沉降量出现在左线隧道正上方；随着隧道管线埋深增加，管线受到地层沉降槽的影响增大，管线最大沉降值增大，最小沉降值减小，导致管线内力增加。右线隧道的开挖使得左线隧道围岩受到二次扰动，隧道开挖完成后，左线隧道上方管线最大沉降量均大于右线。右线隧道贯通后，沉降槽宽度增加，主要变形段增长，曲线整体趋于平缓。从整体上看，右线隧道的施工使原有管线沉降曲线不再符合高斯曲线。

3. 2 管线纵向沉降规律

管线纵向沉降实测结果和数值模拟计算结果进行对比，如图5所示。由于模型长度的限制，在数值模拟计算过程中仅考虑纵向60 m范围内掌子面对管线监测点的沉降影响。

从现场监测及模拟计算结果来看，由盾构隧道施工造成的管线沉降空间效应大致可划分为3个阶段：①盾构通过前，沉降量变化曲线处于上升阶段，这是由于盾构机实际推力大于静止土压力，导致局部隆起造成土体抬升，从而造成管线略有抬起趋势；②盾构通过期间，管体受到扰动程度大、沉降速率大，沉降量约占总沉降量的70%；③当盾构刀盘通过测点2倍于盾构外径范围时，管线的变形主要依靠土体固结蠕变残余变形进而逐步达到稳定状态。

图5 不同管线监测点随刀盘位置的竖向位移变化曲线

3. 3 管线内力分析

管线在隧道施工前就存在一定的初始应力，该应力主要表现为环向应力，而纵向应力非常小，随着隧道的施工管线会产生一定的附加应力。以埋深较大的管线为例，左线隧道施工完成后，管线外表面的纵向应力和环向应力见图6；右线隧道施工完成后，管线外表面的纵向应力和环向应力见图7。

图6 左线隧道施工完成后管线应力分布图

左、右线隧道施工完成后，管线外表面环向和纵向的最大应力见表3。

图7 右线隧道施工完成后管线应力分布图

MPa

由模拟分析可知，管线环向拉应力较小，而最大压应力出现在管线两侧；纵向最大拉应力出现在管底，最大压应力出现在管顶。左线隧道贯通后，管线纵向最大压应力出现在左线隧道正上方管线外表附近处，最大拉应力主要分布在3个区域：距左线隧道正上方管线上表面向两侧2R(R为盾构外径)范围内；左线隧道正上方管线下表面2R范围内；环向最大应力主要位于左线隧道上方管线两侧面。右线隧道施工完成后，两隧道正上方管线上表面纵向压、拉应力较大并靠近右线隧道中心，此外，在两隧道两侧管线上表面也产生了较大拉应力区域，环向最大压应力出现在两隧道中心距管线两侧面8 m处。右线隧道贯通后，管线纵向最大压应力小于仅左线情况下管线纵向最大压应力，这是由于随着右线隧道盾构施工，引起土体二次扰动，使得管线内力重分布，原有管线变形较大处得以“舒展”，进而该处的内力向右线隧道上方管线传递释放，管体变形曲线的斜率整体得到较好的改善。在整个隧道施工期间，管线最大压应力为4.58 MPa，最大拉应力为2.75 MPa。该工程管线材质为钢筋混凝土结构，最大许用抗拉、压应力均大于该管线相应最大应力值，因此，管线处于安全状态。有些地下管线采用素混凝土，许用拉应力为1.03 MPa，许用最大压应力为15.0 MPa，对于大多数情况来说，管线都会在受拉区产生裂缝，将引起管线安全或地下环境受到危害等问题。在这种情况下，应采取悬吊保护或注浆加固等措施。

通过现场实测和数值模拟计算对比分析表明，两种方法的管线最终沉降量曲线较为吻合，表明数值模拟计算结果能够较好地预测管隧垂直情况下管线变形及内力分布情况，可为富水圆砾地层盾构施工对地下邻近管线的安全评估提供参考。

4 结论

本文采用有限差分数值方法和实测数据对比，分析了双线隧道盾构施工对邻近垂直管线变形规律的影响，并对管线安全性进行了评价，得到以下结论：

1) 通过数值模拟计算和现场监测对比，发现两种方法的各阶段管线沉降曲线较为吻合，表明数值模拟计算方法能够模拟富水圆砾地层盾构施工对管线的影响，并可将其运用于地铁隧道工程实践。

2) 盾构刀盘到达前，管线沉降曲线均会出现先隆起且最终总体沉降的趋势；盾构通过阶段，管线沉降曲线变化显著；当盾构通过2倍盾构外径范围后，管线沉降量逐渐减小且最终趋于稳定，整个过程历时较长。

3) 右线隧道贯通后，管线沉降曲线不再符合高斯曲线，最大沉降量出现在靠近先行施工隧道一侧，此时管线主要变形段增长，且管线变形曲线斜率整体呈变小趋势。

4) 右线隧道贯通后，纵向最大拉应力呈增大趋势，而纵向最大压应力呈减小趋势；钢筋混凝土管道能满足抗拉强度要求；对素混凝土管道而言，最大拉应力不能满足许用抗拉强度要求，需采取相关保护措施。