暗挖地铁隧道对南水北调管廊影响分析

夏东风

（中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司，成都610000）

0 引 言

随着城市轨道交通的发展，线路越来越密集，不可避免会出现地铁临近既有建筑物或构筑物情况[1－2]，这些建筑物或构筑物有地下通道[3－4]、箱涵[5]、桥梁[6－9]、地下管线[10]、已运营地铁隧道[11]、城墙[12]等。地铁施工会引起土体位移和地面沉降，从而导致既有建筑物或构筑物的应力重分布，引起结构开裂、脱落，甚至局部坍塌。管廊是地下构筑物的一种，在我国城市综合交通、市政工程中逐渐得到了应用。随着建成的管廊工程越来越多，在管廊区域进行地铁施工的情况也随之出现。在地铁隧道穿越管廊方面，一些文献采用理论分析、施工技术及数值分析的方法进行了研究：马杰[13]对暗挖隧道穿越管廊措施详细研究，并以地表和洞内实测数据为基础，详细分析了暗挖隧道施工影响分析，但由于无法开展暗挖隧道施工时管廊位移监测，研究价值尚有瑕疵；刘治宝[14]采用风险分析方式，对隧道下穿管廊进行了风险评估，并针对性地提出了风险控制方案及施工措施；熊志浩等[15]采用数值分析方法对隧道斜穿管廊进行了详细分析；高超等[16]采用数值分析方法对地铁隧道洞群与管廊不同施工顺序进行了分析，证明了同步开挖为最优方案；周张博等[17]对厦门地铁2 号线高湿区间隧道下穿翔安隧道地下管廊过程中的管廊变形进行了自动化监测，并详细分析了监测数据。目前对地铁隧道穿越管廊的研究存在可借鉴的工程案例少、尚未形成系统性等问题，因此，开展地铁隧道尤其是暗挖法地铁隧道施工对管廊的影响分析有着一定的工程价值。本文针对依托工程现场情况，提出相应的保护措施；通过三维有限元手段，分析了暗挖地铁隧道施工对上方管廊的影响，得出了影响规律，以求为今后类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

北京地铁14 号线郭庄子站—大井站区间暗挖段（郭庄子站—风道）左线、右线里程分别为ZK7+311.55 ～ZK8+093.90 （长度 782.35 m） 和 YK7+311.55～YK8+080.51（长度 767.96 m）。 郭大区间暗挖段在里程YK7+595（ZYK7+595）设置施工竖井、横通道（兼联络通道）。 区间旁穿大井西桥后，下穿郭庄子村平房、京石高速公路、南水北调管廊及数条雨污水管和上水管，隧道拱顶埋深为9.5~16.5 m，主要穿越土层为卵石—圆砾层。 地下水主要为潜水，位于隧道基底及基底以下。

南水北调管廊为混凝土结构，区间下穿里程为：右线 YK8+020～YK8+045，左线 ZK8+045～ZK8+070，区间与南水北调管廊平面、剖面位置关系如图1、图 2 所示。 管廊尺寸：高 4.9 m，宽 9.2 m，管廊顶板和底板埋深约为3.0、7.9 m，管廊为有压管廊，全断面过水，在区间下穿影响范围内有变形缝。 区间隧道拱顶距管廊底板约8.6 m，为一级环境风险工程。

图1 地铁区间与南水北调管廊平面位置关系

图2 地铁区间与南水北调管廊剖面位置关系

2 南水北调管廊沉降控制标准及保护措施

2.1 沉降控制标准

根据南水北调管廊的评估中间资料，对区间下穿南水北调管廊时的控制值要求如下：管廊在区间开挖范围内的绝对沉降控制值7 mm，管廊的差异沉降值5 mm，纵向沉降坡度不应大于0.0007。

2.2 保护措施

区间下穿南水北调管廊采取以下保护措施：

1） 应在施工前对南水北调现状进行评估，且对影响范围内（YK8+020~风道、ZK8+045～风道）地下管线和地下空洞情况提前进行地面雷达探测，对查出的空洞采取注浆措施回填，保证回填密实。

2） 应先施工右线隧道再施工左线隧道。 YK8+020~YK8+045（ZK8+045～ZK8+070）里程采取洞内深孔注浆措施，加固范围为隧道拱顶开挖轮廓线外2 m。 注浆工艺及浆液种类由施工现场注浆试验确定。 深孔注浆质量监测要求：土体在注浆完成后，应有良好的均匀性和自立性，注浆后土体的无侧限抗压强度为 0.5～0.8 MPa，渗透系数不大于 1.0×10-7m/s。 若现场注浆试验效果达不到要求时，应及时调整注浆工艺及浆液种类。

3） 采用上下台阶法（设临时仰拱）施工法，钢支撑纵向间距0.5 m/榀，施工步长为0.5 m，左右线掌子面应错开不小于25 m 施工。

4） 施工中，要加强对开挖工作面地质的观察和记录，随时掌握土层的湿度情况，判断其稳定性，必须对开挖面前方的水文地质、工程地质情况进行超前探测，以指导施工及注浆加固止水。 若发现地层潮湿，随时打设超前探管进行探测，探测深度不小于5 m，如有残余水（由管线渗漏、降水盲区或地层水囊所致）则通过探管引排；同时根据地质情况选择合适浆液进行注浆堵水，必要时掌子面上采用小导管注浆封闭。 做好应急准备，发现异常及时处理。

5） 开挖严格遵守“管超前、严注浆、强支护、快封闭、短步距、勤量测”十八字方针。

6） 加强监测，必要时进行跟踪注浆。

3 数值计算验证与分析

3.1 数值模型的建立

本次计算采用Midas GTS NX 软件，该软件为大型通用岩土工程计算分析软件。考虑空间效应，建立暗挖地铁隧道下穿南水北调管廊的三维有限元分析模型，见图 3。 模型尺寸：X、Y、Z 方向上长度分别约为 129.28、82.5、45 m；边界约束：底部约束 X、Y、Z方向位移，四周约束X、Z 方向位移，上表面为自由面。 土体、隧道初支及二衬均采用实体单元模拟，南水北调管廊结构采用板单元模拟，临时支撑采用梁单元模拟。 土体采用摩尔-库伦模型模拟。

图3 三维有限元分析模型

3.2 计算参数及模拟工况

模型共分3 个土层，各土层物理力学参数取值与地勘报告，列于表1 中，地勘报告只给出了压缩模量，根据前人研究成果，弹性模量一般取压缩模量的3～5 倍，文中取5 倍。暗挖地铁隧道、管廊材料计算参数列于表2 中。

表1 土体物理力学参数

表2 隧道、管廊结构材料计算取值

计算模拟中设置不注浆加固工况和注浆加固工况，不注浆加固、注浆加固工况具体模拟步序见表3（不加固工况无工序2）。 计算工序与实际工序稍有差异，计算中右线、左线上台阶施工完成后再施工下台阶，而实际施工中，上下台阶工作面保持在6 m 左右，计算中一次性开挖台阶相对于实际施工，引起的土体变形要大，对于变形控制更有利。

表3 不加固工况和加固模拟工序

3.3 计算结果与分析

3.3.1 右线施工

图4 右线施工后南水北调管廊竖向位移云图

不注浆和注浆加固工况下右线施工后南水北调管廊竖向位移如图4 所示。 由图4 可知：①不注浆固工况下右线施工后管廊竖向位移最大值为4.784 mm，注浆加固工况下右线施工后管廊竖向位移最大值为2.187 mm，加固处理后管廊竖向位移减小约54.3%；②不注浆和注浆加固工况下管廊竖向位移最大值发生在右线上方。

3.3.2 左线施工

左线施工后南水北调管廊竖向位移如图5所示。 由图5 可知：①不注浆加固工况下左线施工后管廊竖向位移最大值为8.211 mm，已超过7 mm竖向变形控制标准；②注浆加固工况下左线施工后管廊竖向位移最大值为3.642 mm，注浆加固处理后管廊竖向位移减小约55.7%； ③不注浆和注浆加固工况下管廊竖向位移均向左线方向偏移。

图5 左线施工后南水北调管廊竖向位移云图

3.3.3 二衬施工

不注浆加固工况下二衬施工后南水北调管廊竖向位移如图6 所示。 从图6 中知： ①不注浆加固工况下左线施工后管廊竖向位移最大值为9.111 mm，超过7 mm 竖向变形控制标准；②注浆加固工况下左线施工后管廊竖向位移最大值为4.252 mm，注浆加固处理后管廊竖向位移减小约53.3%；③对比右线施工、左线施工，二衬施工引起的管廊竖向位移变化较小。

图6 二衬施工后南水北调管廊竖向位移云图

3.3.4 过程分析

图7 南水北调管廊竖向位移随不同施工步变化曲线

表4 不注浆加固工况与注浆加固工况管廊竖向位移值比较表

南水北调管廊竖向位移随不同工序变化曲线如图 7 所示，具体数值列于表 4 中。 由图 7、表 4 可知：①随着工序开展，管廊竖向位移逐渐增大；②采取洞内深孔注浆加固措施后，南水北调管廊竖向位移明显减少，9 个施工工序下，注浆加固后管廊竖向位移相对于不加固减少53.3%～59.4%；③右线施工、左线施工、二衬施工引起的管廊竖向位移分别为4.784、3.437、0.9 mm，占管廊竖向总位移比分别为52.5%、37.7%、9.8%，右线施工引起管廊竖向位移最大，二衬施工引起的管廊竖向位移远小于右线施工和左线施工引起的管廊竖向位移； ④右线上台阶和左线上台阶施工引起的管廊竖向位移分别为4.153 mm 和2.895 mm，右线上台阶和左线上台阶施工引起的管廊竖向位移分别为0.631 mm和0.542 mm。 右线上台阶施工引起的管廊竖向位移大于左线上台阶，右线和左线下台阶施工引起的管廊竖向位移相差不大，左右线上台施工引起的管廊竖向位移均大于左右线下台阶施工。

4 现场监测分析

区间隧道下穿南水北调管廊时，进行了地表沉降和洞内变形监测，见图8，其中洞内变形监测包括拱顶下沉和收敛变形。 右线、左线分别布置有6、7 个监测断面，每个监测断面包括1 个拱顶下沉测点和2 个收敛位移测线 （上下各一条测线），其中YX1、ZX1 断面未完成监测，文中不对上述2 个断面进行分析。 管廊正下方的2 个洞内监测断面拱顶下沉和收敛位移变化曲线如图9 所示，洞内监测结果列于表5 中。 由图9 和表5 可知： ①拱顶下沉和收敛位移初期变化速率较大，大约20 d 以后，洞内变形趋于稳定; ②对于拱顶下沉，右线6 个断面最大测值在1.0～2.6 mm 范围内，左线 7 个断面最大测值在 0.95～1.7 mm 范围内； ③对于收敛位移，右线6 个断面最大测值在1.0～1.9 mm 范围内，左线 7 个断面最大测值在1.0～2.0 mm 范围内；④其中右线洞内变形稳定时间较左线要长，右线洞拱顶下沉最大测值大于左线，其原因为左线先于右线施工，左线施工对右线附近围岩存在先期扰动； ⑤比较计算结果和监测结果，发现监测结果与计算结果相近，验证了数值计算可靠性。

图8 监测平面布置

图9 拱顶下沉和收敛位移时程曲线

5 结 论

1） 北京地铁14 号线郭庄子站—大井站区间暗挖段下穿南水北调管廊，除台阶法控制施工影响外，采取了洞内深孔注浆措施，经过不注浆加固和注浆加固工况数值计算对比分析，采取加固处理措施后，管廊竖向最大位移为4.252 mm，相对于不注浆加固，减少幅度超过53%。 下穿时管廊竖向位移满足最大位移不超过7 mm 和差异沉降不超过5 mm 的控制要求，南水北调管廊结构处于安全状态。

2） 不注浆加固工况和注浆加固工况下数值计算结果表明，右线施工引起的管廊竖向位移大于左线施工，二衬施工引起管廊竖向位移在3 个主要施工阶段最小。

3） 右线上台阶和左线上台阶引起的管廊竖向位移较其他工序要大很多，是南水北调管廊结构保护的关键工序。

4） 现场监测在暗挖施工中作用明显，在14 号线暗挖区间下穿南水北调管廊过程中，通过现场监测数据分析，及时调整了暗挖施工参数，确保了南水北调管廊结构的安全，在类似穿越工程中，需重视现场监测的作用。