复合地层大直径泥水盾构施工对邻近管道的影响分析

2022-06-19刘磊

四川建筑 2022年2期

摘要：文章针对新建京张铁路JZSG-1标段清华园隧道2#～1#盾构区间热力管道近接穿越工程，借助数值仿真手段，并结合现场记录的掘进参数数据，对复合地层大直径泥水盾构施工引起的邻近管道的附加位移和内力进行了研究，结果表明：（1）盾构近接穿越会导致邻近管道产生不均匀的附加位移。（2）盾构施工引起的地面沉降槽宽度相较管道沉降区段的长度要窄，且隧道轴线处地面沉降量要明显大于管道最大沉降。（3）管道上下端面产生的纵向位移存在一定差异，在正向位移区段，管道近洞室侧的位移要大于另一侧，负向位移区段则不然。（4）盾构近接穿越会导致邻近管道下端面出现一定程度的受拉破坏，应对其实施必要的保护措施。

[基金项目]中国铁路总公司科技研究开发计划课题（项目编号：2017G007-B）;中铁十四局集团大盾构公司技术开发项目（项目编号：ZT14-大盾构公司-JZTL-QT-2018-0016）

[作者简介]刘磊（1985—），男，本科，工程师，注册城乡规划师，主要从事城乡规划专业技术工作。

随着城市交通隧道的加快建设，盾构机不可避免地需要近接各类市政管道或地面建筑物基础施工[1]，此过程势必会对既有构筑物产生一定影响。地下管线作为城市的生命线，过大的附加位移和内力会导致管线出现断裂、爆管等危害[2]，安全平稳地完成下穿施工尤为重要。针对近接问题，国内专家学者开展了大量研究工作，如张治国等[3]提出类矩形盾构隧道施工引起的邻近地下管线变形的简化计算方法;可文海等[4]利用Pasternak模型对盾构接近施工引起的管-土相互作用进行了模拟;高冰[6]基于地层损失率，研究了盾构下穿施工对上部给水管道的变形影响;王德勇等[5]、石超[7]依托地铁实际工程，分析研究了砂卵石地层盾构下穿既有管线的施工工艺;张洪耀等[8]以某雨水管道与隧道交汇工程为依托，分析了浅埋暗挖法施工对于邻近管道变形与受力的影响。本文依托新建京张铁路JZSG-1标段清华园隧道2#～1#盾构区间热力管道近接穿越工程，借助数值仿真手段，并结合现场记录的掘进参数数据，对复合地层大直径泥水盾构施工引起的邻近管道的附加变形和内力进行研究，以期为同类工程施工提供一定参考。

1 工程概况

新建京张铁路JZSG-1标段位于北京市海淀区，正线全长10.487 km。标段自北京北站向北引出，并行地铁13号线东侧敷设，于DK13+400处进入清华园隧道。隧道包含3#～2#和2#～1#两段盾构区间，其中2#～1#盾构区间由2#竖井2a始发井始发，向南至1#接收井接收，其间先后下穿知春路、北三环路、学院南路。2#～1#区间线路平面如图1所示。2#～1#区间长2 707.5 m，采用2台Ф12.64 m泥水平衡盾构机掘进。盾构隧道采用全预制管片拼装，设计强度C50，管片外径12.2 m，内径11.1 m，管片环宽2 m。

北三环路下方、隧道上方有一热力管道。热力管道尺寸为4 400 mm×2 800 mm，位于隧道拱顶上方2.65 m，属近距离穿越。下穿区域地质情况如图2所示。隧道开挖断面地质不均，由上至下依次为粉土、粉质黏土及卵石土，為上软下硬地层。

2 三维有限元数值模拟

2.1 模型建立

为探究上软下硬复合地层条件下大直径盾构施工对邻近管道的影响，利用有限元分析软件MIDAS/GTS模拟盾构施工过程。考虑模型边界的影响，隧道外围土体取3倍洞径[9]，建立模型尺寸为60 m×105 m×75 m（长×宽×高），范围内地层由上至下依次为粉质黏土、粉砂、粉土、粉质黏土及卵石土夹/互层。建立模型如图3所示。

2.2 模型参数确定

模型计算过程中，管片衬砌及热力管道均视作线弹性体，即采用弹性本构模型，范围内地层则采用摩尔-库伦本构模型，此次计算除盾壳外均采用实体单元来模拟。有关土层模量，工程地质勘查资料仅提供压缩模量，根据现有研究及工程规律，并借鉴北京地区相关工程，计算所需的弹性模量取为相应土层压缩模量的3倍[10]。

衬砌环内管片之间以及各衬砌环之间通常采用螺栓连接，为考虑管片接头对于结构整体刚度的影响，横向刚度折减系数取为0.7[11]，清华园隧道C50管片混凝土的弹性模量为34.5 GPa。热力管道的管壁混凝土的强度等级为C30，对应模量为30.0 GPa。此次计算所涉及的模型参数如表1、表2所示。

2.3 盾尾空隙的模拟

盾构掘进过程中，盾尾通常存在一定空隙，包括超挖引起的孔隙及操作空隙[12]，其存在形式受到盾构机自重的影响而呈现图4（a）所示的盾尾空隙。由于盾尾注浆材料与周围土体的相互作用较为复杂，且现有技术难以直接观测注入浆液的扩散情况，施工模拟时，需对盾尾空隙进行简化处理。此次计算采用均质、等厚的等代层来模拟，如图4（b）所示。模型建立时，预设等代层单元，等代层厚度需对比现场监测数据反馈调整，以使施工影响尽量匹配现场情况。经反复试算后，等代层厚度取为20 cm。

2.4 掘进过程的模拟

采用应力释放的方式来模拟盾构施工引起的地层扰动[13]。开挖一环土体后，计算一循环步产生的不平衡力，将所获取的不平衡力乘以一定系数后反加于开挖界面处的节点，并计算至平衡状态。管片衬砌激活前，荷载释放系数LDF取为0.1，激活后调整为0.9。

在MIDAS/GTS中难以实现连续掘进，故对掘进过程进行拆解、简化，假定此过程分段连续，即一步开挖至工作面。通过改变预设单元的材料属性，来模拟盾构的掘进过程，掘进步距对应管片环宽，即每次掘进一环管片的宽度。

盾构施工模拟过程如下：①初始地应力场生成;②位移场清除，钝化管道空腔部分单元，并激活管壁单元属性;③位移场清除;④盾构机进洞，激活盾壳单元属性，施加掌子面泥水压力;⑤重复步骤④直至盾体完全置入地层中;⑥盾构正常掘进，激活盾壳单元属性，施加掌子面泥水压力，移除上一步盾尾单元属性;⑦重复步骤⑥施加盾尾第二环注浆压力;⑧重复步骤⑦移除盾尾第三环注浆压力，激活盾尾第三环注浆层并拼装管片;⑨重复步骤⑧直至盾构机出洞。

此次计算不考虑同步注浆浆液的硬化过程，即假定一次凝固。实际施工中，注浆压力的选定与所处的地质环境、隧道埋深以及注浆材料相关。根据现场记录的掘进参数（图5），注浆压力设定为390 kPa;泥水压力则尽量匹配现场变化规律，即施以较小的压力穿越北三环路。

3 计算结果分析

3.1 管道附加位移

图6～图8为盾构施工引起的管道附加位移云图及位移简图。由图6可知，盾构近接穿越后，管道产生竖向不均匀位移，最大沉降位于隧道轴线上方与管道交叉截面，位移量为10.22 mm;位移由交叉截面向两侧逐渐减小至位移为零，继而转为向上位移，最大隆起量为9.62 mm。位移零点距交叉截面约为1.5D，即管道沉降区段长约3.0D。由文献[14]，沉降槽的宽度系数i可按式（1）计算。代入表1数据，求得管道位置地面沉降槽系数z/i为1.808、1.955，隧道拱顶距离地面约为10.43 m。据此，管道位置地面沉降槽宽度明显要小于管道沉降区段的长度。隧道轴线处的地面沉降量可由式（2）求得，Vs为单位开挖进尺引起的地层损失率。北大直径盾构隧道施工的地层损失率平均值为0.40[15]，求得Smax为17.5～18.9 mm，明显大于管道最大沉降。管道位置地面沉降槽宽度、最大沉降量与管道沉降区段的长度、最大沉降量的关系与可文海等[4]提出的管-土相互作用模型基本一致。

式中：z为隧道中心至地面的距离;φ为隧道洞周范围地层的内摩擦角。

由图7可知，盾构近接穿越后，管道产生纵向不均匀位移，最大纵向位移位于隧道轴线上方与管道交叉截面的下侧，位移量为3.92 mm;位移由交叉截面向两侧逐渐减小至位移为零，继而转为掘进反方向位移，最大负向位移出现在最边缘上侧，位移量为1.09 mm。位移零点距交叉截面约为2.5D，即管道正向位移区段（与掘进方向一致）长约5.0D。与前述竖向位移不同，管道上下端面产生的纵向位移存在一定差异。在正向位移区段，管道近洞室侧的位移要大于另一侧，负向位移区段则不然，可认为邻近管道在空间上产生正向倾转。

由图8可知，盾构近接穿越后，管道产生横向不均匀位移，最大横向位移位于隧道两侧边墙与管道交叉截面，两侧最大位移量在1.79 mm左右;管道上下端面位移特征方向互异，上端面交叉截面两侧向隧道靠拢，下端面则远离隧道。这是因为管道在产生图6所示竖向位移后，隧道轴线上方一定区域管道截面（如截面2）承受剪力较小，截面受剪歪斜程度较小，往两侧剪力逐渐增大，截面受剪歪斜程度加重，进而呈现上述位移特征。

3.2 管道附加内力

图9～图11为盾构施工引起的管道附加内力云图。由图9可知，盾构近接穿越后，管道产生竖向不均匀内力，且管壁转角处存在应力集中现象，最大压应力为6.59 MPa，最大拉应力为3.26 MPa。C30混凝土的容许压应力[σb]=10.0 MPa，容许拉应力[σtp-1]=1.98 MPa，其中[σtp-1]<3.26 MPa，即管道出现局部的受拉破坏。由图10可知，管道产生纵向不均匀内力，且上端面变截面处存在应力激增现象，最大压应力为5.22 MPa，不超过C30混凝土的容许压应力，最大拉应力为4.83 MPa，超过C30混凝土的容许拉应力。

由图11可知，盾构近接穿越后，管道产生横向不均匀内力，最大压应力为8.21 MPa，位于交叉截面的上侧，不超过C30混凝土的容许压应力;最大拉应力为9.52 MPa，位于交叉截面的下侧，明显超过C30混凝土的容许拉应力，管道下端面出现一定程度的受拉破坏。实际生产中，应对其实施必要的保护措施，如搅拌加固、注浆加固等。

4 结论

本文以清华园隧道2#～1#盾构区间热力管道近接穿越工程为依托，借助数值仿真手段，對复合地层大直径泥水盾构施工引起的邻近管道的附加变形和内力进行了研究，得到主要结论：

（1）盾构近接穿越会导致邻近管道产生不均匀的附加位移，竖向上由隧道轴线往两侧先沉降，继而隆起，管道沉降区段长约3.0D;纵向上由隧道轴线往两侧先正向，继而负向，管道正向位移区段长约5.0D;横向上管道上下端面位移特征方向互异，上端面两侧向隧道靠拢，下端面则不然。

（2）盾构施工引起的地面沉降槽宽度相较管道沉降区段的长度要窄，且隧道轴线处地面沉降量要明显大于管道最大沉降。

（3）管道上下端面产生的纵向位移存在一定差异，在正向位移区段，管道近洞室侧的位移要大于另一侧，负向位移区段则不然。

（4）盾构近接穿越会导致邻近管道下端面出现一定程度的受拉破坏，应对其实施必要的保护措施。

参考文献

[1] 李凯.近接工程施工对既有建筑物的影响分析[J].建筑施工，2019，41（2）：324-326.

[2] 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，2011，27（4）：53-56.

[3] 张治国，师敏之，张成平，等.类矩形盾构隧道开挖引起邻近地下管线变形研究[J].岩石力学与工程学报，2019，38（4）：852-864.

[4] 可文海，管凌霄，刘东海，等.盾构隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究[J].岩土力学，2020，41（1）：221-228+234.

[5] 王德勇，赵东平，艾小杨，等.砂卵石地层大直径盾构始发下穿管线群施工技术——以成都轨道交通17号线温明区间盾构工程为例[J].隧道建设（中英文），2020，40（S2）：256-263.