双线盾构隧道顺序下穿雨污箱涵的施工安全风险评价

张学

摘 要：随着城市的发展，在盾构地铁施工的过程中，对既有建筑（管线）的交叉穿越情况日益增多，对工程设计和施工造成极大困难，因此如何对地下建筑物在近距离条件下的施工影响减少到最低限度，是目前在城市地铁施工过程中的核心技术问题。本文通过对合肥市地铁区间盾构段下穿大断面雨污水箱涵为研究对象，利用FLAC3D建立三维数值模型，分析了双线盾构顺序穿越过程中雨污箱涵管线的影响规律，并提出相应的风险预控措施，为盾构施工的超前控制提供有效的依据。

关键词：盾构隧道;近距离穿越;FLAC3D;风险评价

0 引言

近年来，随着城市轨道交通网络化的发展，新建区间隧道设计施工中会不断遇到穿越既有建（构）筑物的问题。当盾构区间隧道下穿既有建（构）筑物时，会引起既有建（构）筑物的附加应力和附加变形等环境风险。尤其是下穿一些关系到城市居民生活且断面较大、修建年代久远的地下箱涵，一旦隧道施工造成管线破坏，将会带来极为严重的影响。因此，对盾构区间隧道下穿箱涵施工产生的安全风险进行全面评估是非常必要的。

目前，国内针对地铁区间隧道下穿箱涵施工引起的安全风险进行了相关研究，并取得了一些实际意义的研究成果。徐彰杰[1]针对北京地铁15号线某区间穿越京承铁路既有箱涵的现场条件，通过数值计算分析了穿越施工对既有箱涵的变形和应力应变影响;胡相钰[2]采用有限差分程序对盾构下穿铁路箱涵施工过程中的土层及结构的变形进行了仿真计算;胡愈[3]等以北京某典型地铁隧道盾构工程为例，采用模型试验和数值模拟计算方法对上覆大直径雨污管线的变形和内力特征进行研究与验证。然而在现有成果[4-7]中，多以管隧交叉在单隧道情境下盾构开挖对箱涵的影响研究为主，且针对地铁隧道穿越大断面无压雨污箱涵的变形特征和应力分布规律还鲜有研究。

针对以上问题，本文针对合肥市某地铁区间盾构段下穿大断面雨污水箱涵施工，根据设计及勘察资料，建立三维数值模型对双线盾构顺序下穿施工对箱涵的影响分析，根据数值分析结果提出相应的施工安全保护及控制措施。

1 工程概况

合肥市某地铁区间长约551.5 m，左、右线均为两条分修的单线隧道，线间距14 m。左右线均设置一组R-700 m曲线。区间下穿断面为6 000 mm×2 500 mm（内净）的雨水箱涵及一条断面为5 000 mm×2 000 mm（内净）污水箱涵，均为混凝土管壁。盾构区间与2条管线基本呈正交，隧道与管线的最小距离分别为7.5 m（雨水箱涵）、3.6 m（污水箱涵），雨水箱涵与污水箱涵水平距离为15 m，区间隧道施工对管线的影响较大。详见图1。

1.1 工程地质概况

本区间区间位于冲积平原区，该区段地势平坦开阔，松散层主要为第四系上更新统冲积层（Q3al）;下伏基岩为第三系新余群组（Exn）。区间地层自上而下依次划分为：①1杂填土、①1-2淤泥质粉质粘土、③1粉质粘土、③3中砂、③4粗砂、③5礫砂、③6圆砾、⑤1-2强风化泥质粉砂岩、⑤1-3中风化泥质粉砂岩。穿越雨污箱涵段盾构隧道主要穿越地层③4粗砂、③5砾砂、③6圆砾层。

1.2 水文地质概况

根据地下水含水空间介质和水理、水动力特征及赋存条件，区间按地下水类型可分为上层滞水、第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水三种类型，地下水位于区间开挖面上方。上层滞水主要赋存于填土层之中，接受降雨入渗补给及城区下水管的渗漏补给。第四系松散岩类孔隙水主要赋存于第四系上更新统砂砾层中。粉质粘土为含水层的隔水顶板，下伏基岩为相对隔水层底板。枯水期间主要受地表水体的侧向补给。区间线路范围内未见明显碎屑岩类裂隙孔隙水。

2 数值模拟

2.1 计算模型

隧道开挖的影响半径一般为隧道直径的3～5倍半径[8]，在选取模型边界时，盾构隧道的左右边界取的都是隧道边线加5倍的开挖直径，下边界取的也是隧道边线加3倍开挖直径，模型的上边界取为地表面。计算模型的三维尺寸为100 m×72 m×34 m。数值计算模型采用快速有限差分软件FLAC3D进行计算分析，模型x轴为水平方向，x方向取值范围为-50 m～50 m，y轴为垂直方向，y方向取值范围为0 m～72 m，z轴为纵向，z方向取值范围为-17 m～17 m;在模型左右边界施加水平位移约束，前后边界施加轴向位移约束，下边界施加竖向位移约束。采用理想弹塑性模型，Mohr-Coulo mb屈服准则，设置岩体颗粒不可压缩（即Biot系数为1）。渗流计算采用各向同性渗流模型，稳定渗流分析方法。在渗透边界方面，模型上表面设定为透水边界，其他各表面设定为不透水边界。

模型计算参数取值如表1～3所示：

2.2 计算假定

（1）隧道施工中盾构机渐进向前推进，周围的土体则是相对静止的。有限元法难以做到完全模拟盾构的连续推进过程，必须一定的简化，通常将盾构推进作为一个非连续的过程来研究。假设盾构一步步跳跃式的向前推进，每次向前推进的长度恰好为一个衬砌单元宽度。

（2）在盾构掘进时，为了减小盾构机的摩阻力以使盾构机能够顺利前行，盾构的刀盘外径大于盾构机的外径，从而在盾构机外围产生一定厚度的间隙。盾构机盾尾的空隙主要由三个部分组成：一部分是盾构壳厚所占的体积;一部分是为了方便衬砌组装而预留的操作间隙;一部分是刀盘超开挖间隙。参考相关文献[8-11]并考虑工程实际情况，通过考虑开挖后隧道应力释放来模拟空隙对沉降的影响，应力释放率取80%。

（3）盾构管片的拼接方式采用的是错缝拼接方式，纵向的刚度较大，因此不考虑管片接头及错缝拼装方式对衬砌整体刚度的影响。

（4）为减小因空隙引起的围岩变形，在盾尾脱离前，土体向盾构推进的同时向盾尾空隙注混凝土浆体，数值模拟时，为考虑注浆层的影响，在衬砌的外层建立了一层注浆层[12]。

2.3 管线变形分析

隧道下穿既有管线模拟施工工序为右线隧道穿越前、右线隧道穿越雨水箱涵中、右线隧道穿越污水箱涵中、右线隧道穿越后、左线隧道穿越前、左线隧道穿越雨水箱涵中、左线隧道穿越污水箱涵中、左线隧道穿越后八步，如图4所示。

经过FLAC3D数值模拟可以得出每一步工序管线的竖向变形规律，如图5（a）～（h）所示。

隧道右线开挖后，在工序一时雨水箱涵在右线隧道轴线部位最先产生沉降，在工序二时，右线盾构正下穿雨水箱涵，此时雨水箱涵的沉降进一步增大，工序三右线盾构接近污水箱涵，同时已经穿越雨水箱涵，雨水箱涵沉降持续增大，且沿右线轴线呈左右对称分布，污水箱涵沉降规律与工序一一致，工序四时，右线隧道全部穿越管线，污水箱涵和雨水箱涵变形规律一致，沿右线轴线呈左右对称分布，且污水箱涵比雨水箱涵沉降值大;工序五～八为右线隧道贯通，左线隧道掘进，两条管线右线隧道轴线位置的变形规律没有太大变化，而左线隧道轴线处的沉降变化规律与右线掘进时右线隧道轴线位置变形规律一致。

對各道工序管线数据的提取，并绘制沉降曲线。图6和图7分别为右线隧道掘进管线变形曲线图和左线隧道掘进管线变形曲线图，图8为各工序隧道掘进雨水箱涵底变形曲线图，图9为各工序隧道掘进污水箱涵底变形曲线图，图10为左右线隧道贯通后雨、污水箱涵底变形曲线图。

根据以上图表可以得出，管线的变形规律有以下几点：

（1）盾构隧道开挖对管线的影响表现为：管线产生了沉降和水平位移，其中变形以沉降为主。右线盾构掘进时，盾构隧道右线轴线上方的管线沉降最大，盾构机逐渐接近管线时，沉降量逐渐增大;穿越时，管线沉降值迅速增加，而当盾构穿越管线后，沉降增速减缓，随着盾构掌子面远离管线，沉降值逐渐趋于平稳。（2）当右线隧道完全穿越管线后，左线隧道开始掘进，右线轴线上方的管线沉降有一定的增大，但增幅较小，随后左线轴线上方的管线沉降变化趋势与右线隧道相似。（3）隧道掘进过程中，更靠近隧道顶的污水管线沉降值比雨水箱涵大，且对盾构掘进的敏感度更高。（4）盾构掘进对管线沉降的影响范围主要隧道轴线外3倍的隧道直径，这一范围应为盾构掘进过程中管线监测的重点方位，尤其是隧道轴线上方管线的沉降监测。

3 盾构穿越时风险分析与应对措施

3.1 风险识别与分析

虽然盾构在控制地应力释放、地表沉降中有较大优点，但盾构施工必然引起周围土体结构的变形，由于土体开挖卸载，势必引起周围土体产生移动和变形，从而带动管线产生变形。管线能承受的变形是有一定限度的，如果变形超过一定的限度势必会影响管线的正常安全使用。

基于三维数值计算分析，可以得出南区间盾构隧道穿越雨水箱涵和污水箱涵过程中，既有管线会产生一定的横向和竖向变形，其中以竖向变形为主。最大竖向变形出现在盾构隧道轴线处的管线，为-8.81 mm，盾构掘进过程中隧道轴线上方管线最易发生破坏、断裂风险，应重点加强此处管线的沉降监测。

3.2 风险控制措施

3.2.1 监控量测保障措施

根据以上分析，考虑沿隧道轴线在雨污水管上部布设直接沉降观测点进行监测，两侧3倍直径范围内布设地表沉降点，形成监测断面，且左、右线分别布设。在盾构位于该区域的推进施工中，增加监测的频率，在一般的推进过程中，监测频率为每天2次，穿越雨污箱涵的施工过程中，将监测频率提高至每天3次以上，必要时进行跟踪监测，直至完成盾构穿越，待变形稳定后恢复正常频率。

3.2.2 施工过程风险控制

施工前必须制定切实可行的应急预案，做好出现险情时的补救预防准备;对于本工程主要风险为管线竖向变形控制指标超限，通过管线前对盾构机及相关设备进行检修，确保盾构机匀速、连续通过该区段，同时注重试验段先行的必要性和指导意义，对穿越前盾构掘进参数的总结，确定合理的盾构掘进参数。

施工中技术控制是控制地层沉降及箱涵变形的关键。盾构下穿箱涵的过程中须严格控制掘进速度、推进压力、出土仓正面土压、盾构机姿态，严格控制同步注浆及二次注浆的质量及注浆压力，尽量减少土体的扰动，防止较大沉降的发生。同时，针对盾构穿越富水砂层的特点，需严控出渣量，避免超挖，防止盾尾脱离箱涵后变形超限。

穿越后仍须加强管线沉降监测，发现有扩大趋势，及时采取后期补压浆、打止水环箍等相关保护措施。

4 结论

盾构先后下穿雨水及污水箱涵，工程难度大，风险高。本文对左右线盾构顺序穿越施工对箱涵的影响进行了评估，并提出了相关应对措施。获得了以下几点结论：

（1）双线盾构隧道顺序下穿箱涵过程中，使雨污箱涵本身的沉降曲线出现两次较为明显的沉降段和稳定段，其中雨污箱涵的沉降最大值均出现在两条隧道中心线正下方，且最大沉降量位于先行隧道轴线正下方，但增幅较小，其主要原因是后掘进隧道施工的二次扰动影响。（2）双线盾构隧道顺序下穿箱涵过程中，距隧顶净距较小的污水箱涵沉降值较雨水箱涵大，且对盾构掘进的敏感度更高。其中盾构隧道穿越雨水箱涵和污水箱涵过程中，盾构隧道轴线处的污水箱涵底最大沉降变形值为-8.81 mm。（3）双线盾构隧道顺序掘进对箱涵沉降的影响范围主要隧道轴线外3倍的隧道直径，这一范围应为盾构掘进过程中管线监测的重点方位，尤其是隧道轴线上方箱涵的沉降监测。（4）基于三维数值计算结果，对盾构穿越箱涵过程中的监控量测保障措施及施工过程的风险控制提出了相应的应对措施建议。

参考文献：

[1]徐彰杰.北京地铁15号线盾构法施工对既有铁路箱涵的影响分析[D].北京交通大学，2011.

[2]梁新欢，胡相钰.盾构隧道平行下穿管道的影响分析[J].铁道建筑，2015（8）：52-54.

[3]胡愈，姚爱军，张剑涛，等.地铁盾构施工对上覆平行雨污管道影响的试验和数值分析[J].隧道建设，38（5）：797-804.

[4]高丙丽，蔡智云.地铁隧道施工对邻近垂直于地铁线路管线的变形影响规律研究[J].中国安全生产科学技术，2015（12）：59-64.

[5]刘波，叶圣国，陶龙光，等.地铁盾构施工引起邻近基础沉降的FLAC元数值模拟[J].煤炭科学技术，2002（10）：9-11.

[6]高丙丽，任建喜.盾构始发井施工对周围管线的变形影响规律及其控制技术[J].现代隧道技术，2014（3）：193-199+210.

[7]王洪德，崔铁军.厚硬岩层盾构隧道施工对地下管线影响分析[J].地下空间与工程学报，2013（2）：333-338.

[8]张志强，何川，佘才高.南京地铁盾构掘进施工的三维有限元仿真分析[J]，铁道学报，2005，27（1）：84-89.

[9]吴为义，孙宇坤，张土乔.盾构隧道施工对邻近地下管线影响分析[J].中国铁道科学，2008（3）：58-62.

[10]任艳荣.地铁盾构施工与地下管线的相互作用研究现状及其展望[J].北京建筑工程学院学报，2011（4）：53-56.

[11]范德伟.盾构掘进对临近地下管线的影响分析[D].山东科技大学，2008.

[12]蔡鹏麟.基于FLAC3D的青岛地铁隧道开挖引起的地表沉降分析[D].吉林大学，2015.