双线地铁隧道下穿管道安全性对比研究*

2019-09-06石杰红史聪灵刘晶晶

中国安全生产科学技术 2019年8期

石杰红，史聪灵，刘晶晶

(1.北京科技大学，北京 100083； 2.中国安全生产科学研究院，北京 100012； 3.地铁火灾与客流疏运安全北京市重点实验室，北京100012)

0 引言

自本世纪以来，我国开启了大规模的城市轨道交通建设，截至2018年4月，已开通地铁的城市有35个，已获得批复建设地铁的城市共有43个，其中，北京、上海、成都、武汉等城市的规划线路总长度均达到上千公里规模。地铁的施工建设，必然会造成周边土体沉降，危及建构筑物安全，尤其是同为线性工程的地下管线，不可避免地与地铁线路存在交叉。从现有工程经验来看，已有较多地铁隧道下穿管线的成功案例[1-3]，对于地铁施工对管线的影响，国内外也已开展了较多的研究工作[4-11]。

目前主要采用的方法有经验公式法、随机介质理论法、弹塑粘性理论解、数值方法(有限元、边界元法、有限差分法、数值半解析法)等[12]。在众多的预测公式及方法中，Peck公式是经验公式法中的典型代表，该方法是根据大量隧道开挖引起地表沉降的观测数据提出的，也已得到大量的实际验证，同时相关学者也“与时俱进”地进行了较多修正，如任强等对双线盾构叠加进行了Peck公式修正[13]。此外，大量工程实践表明，数值模拟的方法也是研究隧道开挖问题的有效方法[14-17]。因此，本文以双线盾构地铁隧道下穿管道为工程背景，将修正Peck法用于埋地管道沉降预测，并与数值计算结果进行对比分析，相互验证可靠性，最终为论证该类工程安全可行性提供方法参考和借鉴。

1 经典Peck公式及修正

1.1 经典Peck公式

在经典 Peck公式中，地表沉降槽呈正态分布[16](见图1)，并给出与覆土厚度、土体内摩擦角、地层损失等参数间沉降槽计算的无量纲关系式，表达式如式(1)所示。Peck认为，沉降主要控制因素是开挖引起的地层损失，沉降槽的体积等于地层损失体积。

图1 Peck公式沉降槽示意Fig.1 Schematic diagram of settlement trough by Peck formula

(1)

(2)

式中：Sx为横截面上与S轴线距离为x地面点的沉降量，m；i为沉降槽宽度系数，为地表沉降曲线反弯点与原点的水平距离，m；z为隧道中心点起算的覆土厚度，m；φ为土体内摩擦角加权平均值，°；VL为由于隧道开挖引起的地层损失量。

实践表明，地层损失量受隧道支护种类、断面尺寸、地层条件等多种因素影响，文献[18]认为地层损失主要由隧道掘进引起的开挖面土体移动、土体坍落或松动、土体进入隧道等因素引发。因此，经典Peck公式下，对于圆形隧道，单位长度地层损失为：

(3)

式中：V1为地层损失率；γ0为隧道外径，m。

1.2 双线盾构隧道的Peck公式修正

经典Peck公式主要针对单隧道施工引发的地面沉降进行计算，但对于地铁工程而言，大多数均采用相互独立的双线隧道，且为减小隧道开挖的影响，2条隧道施工时前后会有一定间隔，因此，可近似认为上覆土体沉降为2条隧道独立施工的叠加，如图2所示。任强等[13]认为，该工况下Peck公式可修正为式(4)：

图2 双孔隧道开挖地表沉降槽Fig.2 Ground surface settlement trough of double-line

(4)

式中:d为2隧道中心间距，m。

2 工程实例

某地铁区间下穿2条燃气管道，其中，DP管道设计运营压力9 MPa，管径762 mm，壁厚20.6 mm，管材为X65钢，属于国家级重要管线；GZ管道运营压力4 MPa，管径711 mm，壁厚17.5 mm，管材为直缝双面埋弧焊X60钢管，属于省级重要管线。2条管线输送介质均为天然气，具有易燃易爆属性，属于高危管线。地铁区间隧道为2条独立隧道，采用盾构法施工，隧道直径6 m，间距14 m，埋深13.1 m，与管线最小净距7.1 m，示意图如图3所示。根据管线产权单位提供的资料，管线安全控制标准为沉降值≤10 mm。

图3 地铁下穿管线示意Fig.3 Schematic diagram of subway underneath crossing pipeline

工程区域典型地质剖面内地层自上而下依次为：素填土层，平均厚度3.62 m；淤泥质土，平均厚度3.15 m；沙性土层，平均厚度2.53 m；混合岗岩全风化带。具体的土层力学参数如表1所示。

表1 土层力学参数Table 1 Mechanical parameters of soil layer

3 修正Peck公式计算管线沉降

Peck公式不仅可用于地表沉降的计算，也适用于计算地表以下的土体沉降，已有相当多学者进行了论证，本文不再重复。因管道为埋地管道，土体的变形必然会导致管道产生相应的变形，因此，本文将管道变形与其周边土体变形进行等效考虑。本工程隧道埋深13.1 m，隧道中心距离管线10.1 m，上覆土层主要为素填土、淤泥土及砂土，根据地勘材料，其平均内摩擦角为13.3°，代入公式(2)，可得i=5.1。

根据式(3)，地层损失量与地层损失率及隧道外径相关，按照现代盾构的技术水平，采用盾构施工的地层损失率可控制在0.1%左右，因本工况采用盾构施工，管片支护及时，地层损失率按照0.1%考虑，隧道外径6 m，代入公式(3)，可得地层损失量VL=0.226。

2条隧道中心距离14 m，将计算所得i和VL值代入公式(4)，可得最大沉降值为3.8 mm。

4 数值计算管线沉降

4.1 计算模型

本文采用岩土工程领域较成熟的计算软件FLAD3D对地铁隧道下穿管线引起的管线沉降进行分析，模型边界按照洞室中心外3～5倍洞室特征尺寸的原则确定，因此，模型尺寸为50 m×60 m×40 m(长×宽×高)。总体模型如图4所示，新建盾构隧道与既有管线的空间位置关系如图5所示。模型包含节点(grid-points)47 733个，实体单元(zones)71 561个，板单元3 440个。模型边界按照洞室中心外3～5倍洞室特征尺寸的原则确定，模型中的土体和注浆层均采用实体单元进行模拟，管片、盾壳和管线使用壳单元进行模拟，设置相应的厚度参数。

图4 总体模型Fig.4 General model

图5 盾构隧道与管线位置关系Fig.5 Position relationship between shield tunnel and pipelines

计算模拟过程中，整个计算过程根据设计方案总共分为22个施工阶段，各关键施工阶段对应的盾构掘进位置如表2所示，其中，盾构掘进起始位置和掘进完成位置分别对应模型的左右边界，即盾构施工对管道影响可忽略位置，距离DP管道约为25 m。

表2 关键施工阶段对应的盾构掘进位置Table 2 Shield tunneling positions corresponding to key construction stages

4.2 模拟结果及分析

为了便于监测和分析结果，分别在2燃气管线顶部，管线纵向每隔1.5 m布置1个测点，每条管道均设置41个测点(测点编号1～41)。其中，在DP燃气管线顶部、2盾构隧道正上方测点编号分别为1-16和1-26；在GZ燃气管线顶部、两盾构隧道正上方的测点编号分别为2-16和2-26，管线主要监测点布置示意如图6所示。通过对整个盾构掘进过程的模拟，获得了完整的管线沉降数据。

图6 管线主要监测点布置示意Fig.6 Schematic diagram of main monitoring points on pipeline

管道顶部沉降历时反映了隧道开挖施工过程对管线沉降值变化的影响趋势。分别选取2条管道顶部测点的沉降值作为沉降历时的研究对象，各测点的沉降历时曲线如图7～8。图中横坐标表示模拟的施工步，第1～22步表示盾构掘进从开始到整个掘进施工完成。

图7 DP管道各测点沉降曲线Fig.7 Settlement curves of each monitoring point on DP pipeline

图8 GZ管道各测点沉降曲线Fig.8 Settlement curves of each monitoring point on GZ pipeline

从图7～8中可以看出，各测点的沉降历时曲线均经历了“施工到达前的微小影响阶段→施工到达时的快速沉降阶段→最终施工完毕之后的沉降稳定阶段”。对于DP管道而言，测点1-16和1-26位于盾构隧道正上方，盾构掘进施工完成以后，其沉降量最大，与Peck理论一致，最大沉降量达到3.65 mm，而位于盾构双线中间位置的管道测点产生的沉降量稍小于盾构线正上方测点，其最大沉降量约为3.1 mm。由于盾构掘进过程中，掌子面距离各测点的距离并不相同，距离掌子面较近的测点的沉降速率较快，随着距离掌子面越来越远，沉降速率也逐渐较小并趋于稳定。同样，GZ管道各测点的沉降变化也有着相似的规律。

管道顶部测点的整体沉降趋势反映了盾构隧道施工后管道的整体形态，如图9。由图9可知，对于管线而言，开挖引起的上部沉降槽不完全呈正态分布，而是呈2正态分布的沉降槽的叠加，最大沉降值均出现在距离隧道中心线左右两侧7～8 m位置，即地铁隧道正上方，隧道中心线上方管道沉降值也较大，略小于隧道正上方沉降量。