盾构开挖对临近地下管线的影响

魏 爽，席培胜

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

随着科技进步和社会发展，交通基础设施建设的质量和速度不断提高。近年来，为解决地面交通拥堵问题，中国主要城市的铁路运输建设已进入快速发展阶段。由于地铁大多建设在城市地区，盾构建设不可避免地会引起土壤扰动和地层变形，从而导致相邻管道发生大变形或泄漏，特别是氮气或氧气管道，会导致严重的安全事故或不可挽回的经济损失。因此，分析盾构开挖对临近地下管线的影响具有十分重要的现实意义。

国内外研究人员已对管道盾构法的作用进行了大量的研究工作。Ariman[2]发现，与附近的土体相比，临近土层对管道应力和变形位移具有明显的影响。向卫国等[3]利用有限差分析程序模拟了隧道开挖过程中不同材料和埋深的地下管道在不同地层损失速率下的变形。可文海等[4]利用Loganathan公式分析了盾构隧道施工导致的地下管线附近土壤的垂直位移。唐静[5]为了获取地铁盾构掘进对相邻地下管道形变与应力影响的规律，在大连地铁2号线区间隧道工程的背景下，使用FLAC3D软件分析了由于隧道盾构开挖引起的土地变形。魏纲等[6]研究了由于地下隧道施工引起的土壤运动对相邻地下管线的破坏，并利用有限元方法研究了市政隧道施工对周围地下管道线的作用。鉴于此，本文使用数值模拟软件以90 m×60 m×30 m (X×Y×Z)模型进行计算，并研究隧道开挖对管道沉降的影响，以期为相关工程提供参考。

1 工程概况

合肥市地铁交通1号线三期工程某区间段采用了盾构法施工。盾构隧道的覆盖层厚度为5.92～12.70 m，开挖隧道的内径为540 cm，外径为600 cm。管片为C40钢筋混凝土，厚度为30 cm，外径为600 cm。管道工作压力为1.3 MPa，管道材料为碳钢，直径为400 mm，壁厚为8 mm，埋深为1.5～6 m，连接方式为对焊，距隧道的垂直距离为4～7 m。

2 模型建立

依据工程实践经验，隧道宽度是隧道直径的3～5倍，隧道深度是隧道直径的2～4倍。使用3D有限元软件进行建模时，模型的宽度和深度必须分别大于孔直径的3倍和2倍。对此案例工程，采用迈达斯GTS软件建立90 m×60 m×30 m(X×Y×Z)的土体模型。管道深4.0 m,隧道深10 m，管道与隧道轴线之间的距离为6 m,管径为0.4 m,厚度为0.008 m,长为60 m。考虑到管道壁厚与管道直径的比率较小，可以将管道视为细管道。隧道直径为5.4 m，管线轴线开挖的起点由点(45，-4，0)定义，Y轴方向为开挖方向。隧道与管线侧面图如图1所示。管线与隧道平行模型正面网格划分图如图2所示。隧道管线内部关系图如图3所示。

图1 隧道与管线侧面图

图2 管线与隧道平行模型正面网格划分图

图3 隧道管线内部关系图

2.1 土层参数

案例工程区段盾构隧道穿越的土层主要为黏土层，自上而下分别为杂填土、黏土、粉质黏土、中风化泥岩夹泥岩。地层和材料参数见表1。

表1 地层和材料参数

2.2 定义施工阶段

衬砌段的长度设置为1.5 m。使用长度为3 m的2个段作为开挖步骤来定义施工条件，可以减少计算量。该模型的隧道开挖方向为Y轴正向，长度为60 m，因而整个盾构结构分为20个阶段。在开挖之前，必须通过自重平衡土壤、隧道和管道，消除管道和土壤的位移。盾构隧道的具体施工条件包括3个主要步骤：开挖前的土壤压实和膨胀，盾壳支撑、分段装配和通过有限元法实现灌浆。

3 模拟结果与分析

盾构一定会引起土壤震动和地层变形，从而导致相邻管道发生大变形或管道泄漏。本次模拟不考虑隧道之间的相互影响。模拟得到的整体沉降云图如图4所示。由图4可知，隧道上土体呈现沉降，即管线在竖向出现明显的沉降，最大沉降量为-24.62 mm，在隧道下方出现明显的隆起，表现为正值(4.86 mm)。

图4 整体沉降云图

管线沉降的竖向位移云图如图5所示。由图5可知，在开挖开始和结束时，盾构的沉降很小，但管道中部附近的沉降较明显。竖向沉降位移最小为-73.60 mm，管线最大沉降量为-20.36 mm。随着施工的进行，累计沉降量持续增加。

图5 管线沉降的竖向位移云图

为更好研究不同盾构掘进距离对管线的影响，对其规律进行了分析，所得y轴正方向上3，10，15，40，50，60 m处在开挖前和结束后所形成的沉降曲线如图6所示。

图6 盾构开挖到不同距离时的位移沉降图

由图6可以看出，从盾构开挖直到开挖结束每条曲线的走向基本相同。从开始到7 m时，盾构开挖不同距离时管线的沉降大致相同。在7～25 m时，管线的沉降持续增加，在25～35 m管线下降最为明显，在35～60 m管线的沉降增长较为平缓，基本保持相同。在开挖距离L=3，10，15，40，50 m时，管线在5～60 m时的竖向距离增长量基本相同，但在快挖开结束L=50 m和L=60 m 2条曲线之间的距离基本相同，并且在开挖结束时，可以看到管道沉降达到平衡。开挖继续进行，没有明显沉降。每条曲线的最大沉降值分别为-25.11，-25.53，-26.25，-27.51，-28.81，-29.52 mm。

4 结论

1)管道的沉降曲线类似于概率积分曲线。在开挖开始和结束时，开挖管线沉降的变化不太明显，中间阶段管线沉降值变化显著，形成清晰的差异沉降间隔。

2)在盾构过程中，沉降间隔的长度大致相同，但管道的累计沉降值仍在增加。开挖距离L=3,10,15,40,50,60 m时的管线最大沉降值分别为-25.11，-25.53，-26.25，-27.51，-28.81，-29.52 mm。

3)开挖结束前约10 m处，管道沉降值基本不再增加，并且增加的速度逐渐减小至与管道沉降值和最大坡度值相对应。