暗挖隧道施工对既有管线沉降影响的数值模拟研究

邹至桥

（重庆市铁路（集团）有限公司，重庆 400020）

0 引言

地铁暗挖隧道施工沉降过大造成的管道线路破坏，很多是由于土的变形，致使管道线路变形并破坏。施工时的机械设备及人工挖掘都会造成地层扰动[1-3]。开挖后，地层中部分土体被挖空，长期稳定的土层形成临空状态，会诱发松散围岩和土体产生变形，在地质条件不变的情况下，开挖体积越大，临空界面越大、越高，围岩和土体产生变形的几率越大，且变形的范围越广[4-6]。开挖隧道导致地表的沉降，与当地的地下水丰富程度、是否存在断层、岩土体的强度、作业时采取的开挖支护方式等因素有关。这些因素都可以在模拟和实际施工中加以考虑。本文利用FLAC3D软件对暗挖隧道施工工程进行数值模拟，研究施工对既有管线沉降的影响。

1 工程概况

如图1 所示，北京地铁7 号线东延线整体为东西走向，是地下线路。其中小马庄站是东侧起的第三个车站，位于万盛南街与规划道路的交叉道口东南侧。小马庄站北侧是交通导改之后的万盛南街临时道路。道路的西北侧存在一个小区，小区内距离车站较近的建筑物为一栋中高层写字楼和两栋中高层住宅楼。车站施工区域正北侧没有其他建筑，是未开发的空地。车站南侧规划有建设项目，目前为空地，尚未进行施工。

图1 线路走向与工程位置

根据施工前期的排查结果，绘制出图2中管线和暗挖隧道之间位置关系俯视图。其中下侧的水平开挖结构为暗挖隧道，从右向左开挖。该暗挖隧道的上方水平面内，有两条原有的管线，隧道的开挖方向与管线的铺设方向垂直。

图2 管线与隧道的位置俯视图

暗挖隧道采用台阶法进行开挖。施工完毕后进行初期支护，支护结构为最外层150mm×150mm的钢筋网上喷射30cm厚的C25早强混凝土，快速达到支护强度。另外包括50mm厚的防水层，同时外侧和内侧均有直径20mm的纵向连接筋，环向间距为1.0m，内侧为添加二次衬砌时制模施作的抗渗等级为10的C40混凝土。

2 数值模拟分析

应对不同地质条件和不同材料的计算问题，FLAC3D软件优势明显，可以用于模拟分析建筑的地基、矿山的巷道、工程的坡道、隧洞、建筑整体的施工等。进行软件分析时，能够调取内部设置的近20种弹性和塑性模型，能够对材料中进行的开挖、土体的徐变流变、矿山深部的岩爆、地震等多种工程活动进行模拟。

2.1 隧道变形模拟结果分析

隧道开挖时，底部区域出现的隆起现象，是由于暗挖施工的扰动，打破了隧道底部原状土的平衡状态，和拱顶区域土体发生沉降的原理相反，开挖施工使得覆盖在底部土体之上的土体被挖除，底部土体之上原本向下的应力被解除，向上方向的应力就会造成土体发生隆起现象。根据模拟结果，在隧道穿过管线正下方之后、开挖至该研究段的边界时，隧道本身结构的变形量达到最大。模拟计算的隧道顶部结构变形结果如图3所示，其中拱顶部分的沉降量为14.07mm，底板隆起高度为17.50mm。

图3 隧道结构计算云图

2.2 管线沉降模拟结果分析

根据模拟的管线沉降计算结果，绘制出研究段内隧道施工造成上方管线发生沉降量变化的曲线，如图4所示。其中最大沉降量发生在开挖至研究区段边界时，此时上方管道的沉降量达最大值7.16mm，小于安全限值10mm。

图4 上水管道竖向沉降模拟数据曲线

隧道在开挖时接近管线下方区域、穿越管线正下方并继续开挖至隧道研究段边界的这一过程中，隧道上方土层和管线受到影响的变化趋势，仅仅通过管线的沉降量曲线无法体现，因此在模拟结果中截取了隧道开挖过程中上方管道竖向变形云图，现沿着隧道的开挖方向截取图像，如图5所示。

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分析图5中的管道沉降变形量随着施工步序的变化云图，得到以下结果：随着隧道施工的进行，隧道正上方的管线因受到影响而发生沉降，其影响作用越来越大，隧道正上方的管线处沉降量从施工步序1中的接近0mm开始逐渐增大，施工步序3 中为1.45mm，施工步序5 中为3.02mm。隧道施工的前两个施工步序中，管道底部的土体存在一定的隆起现象，虽然隧道施工平面上方的整体模型都受到影响而产生微小的沉降，但是存在管道底部土体局部发生向上的位移，只不过这个向上隆起的位移比较小，被下层及周边土层的沉降抵消。

图5 管道沉降变形量随着施工步序的变化云图

3 模拟结果与监测结果对比分析

3.1 管道沉降量

本次对暗挖隧道施工进行监测的现场点位有两种，分别是隧道结构自身的沉降量和管道的沉降变形量。

（1）Φ800上水管道竖向沉降量。

通过调取布置在现场上水管道左侧监测点位的数据，得到了Φ800上水管道的沉降变形量。在该研究段的下穿过程中，根据该点位的监测数据绘制出图6。其中上水管道发生最大沉降量为6.91mm。

图6 上水管道竖向沉降监测数据曲线

（2）Φ604高压燃气管道竖向沉降量。

根据施工现场布置在隧道左侧、管线上方监测点位的数据可绘出Φ604高压燃气管竖向沉降量的曲线，如图7所示。高压燃气管道在隧道下穿期间的沉降量最大值为6.96mm。

图7 燃气管道竖向沉降监测数据曲线

3.2 隧道变形现场监测数据与模拟结果对比分析

根据模拟结果，隧道本身在下穿过程中的最大变形量发生阶段是开挖至研究段边界时。其中拱顶部分的沉降量为14.07mm，底板隆起高度为17.50mm。而现场监测结果为拱顶沉12.89mm，底板的最大隆起量为15.93mm，模拟计算结果与实际监测数据相比，误差率分别9.15%和9.86%，满足要求。模拟计算结果和实际监测数据基本吻合，说明该模型在目前的设置条件和施工步序下，对实际中的隧道结构变形计算基本准确。

3.3 管线沉降监测数据与模拟结果对比分析

将上水管道沉降变形的监测结果与数值模拟结果放在同一张图上显示，如图8所示。

图8 上水管道沉降量对比

（2）对比图5中的模拟结果，沉降量和现场监测值的变化趋势基本吻合。对比分析11个施工步序作业结束后的管线位移量，其中隧道施工初期，沉降量数量级是0.1mm；其他步序中有4个点位数据，两者之间差值小于0.25mm；施工至边界时的结果差值均小于0.25mm。随着隧道施工的进行，开挖越深，模拟结果和监测数据的误差率逐渐减小，最后3个施工步序中，误差率分别为6.55%、3.28%和3.62%。整体数据在精确度上满足要求。整个模拟结果基本符合实际沉降量。但是第6和第8个施工步序完成后的管线沉降误差率为32.64%和14.98%，关于这两个施工步序的误差，还需进一步对比模拟和实际的差异来研究误差出现的原因。

（3）对比图8中的现场沉降监测结果与数值模拟的计算结果，二者的趋势相同，均为随着隧道施工的进行，隧道的开挖进深在增大，隧道挖掘立面和管道位置之间的距离在缩短，管道的沉降量会逐渐增大，而现场监测数据符合这一规律。通过数值模拟结果总结的规律符合实际情况。

3.4 监测数据与模拟结果对比结果

分析了工程监测数据和数值模拟计算数据，得出以下结果：

（1）通过比较分析隧道结构和支护结构本身的变形位移，隧道近距离下穿管线施工过程中和下穿管线结束后的拱顶沉降量、底部隆起量在数量级上相同，在数值的量上基本相同，误差率小于10%，基本准确。

（2）比较分析隧道下穿施工过程管线的最大沉降量实测数据为7.16mm，工程中实际监测结果为6.91mm，误差率为3.62%，基本准确。

（3）整个施工过程中，每一步序完成后的管线位移模拟计算结果，基本符合实际监测情况，但都大于实际监测结果，并且有两个步序的沉降量误差率较大，需要改进。

4 工艺改进及重新模拟分析

4.1 改进研究目的

根据前序研究，施工过程中有两个问题需要改进。第一个是管线最大沉降的模拟计算结果，每一施工步序均大于实际监测结果。第二个是第6和第8施工步序的沉降量计算误差过大。需要针对支护方式和施工工艺进行优化，重新建立模型，进行模拟，判断优化改进是否合理。

4.2 支护方式改进

本次下穿施工采用的暗挖台阶核心土法，支护方式为每开挖一个台阶进行一次喷射C25早强混凝土，待施工15m后开挖至研究段的边界，初步支护全部完成后再一次施作二次衬砌，二次衬砌为C40的混凝土。针对支护方式，做出增加锚杆的改进，如图9所示。

图9 锚杆位置

4.3 施工工艺改进

在第一个施工步序时，首先开挖上台阶周边土体，保留核心土将开挖步距由1.5m修改为1.0m，施工步序由12步增加为16步。同时在支护上台阶时，每开挖1.5m时也要挂设钢筋网，喷射厚度为30cm的C25早强混凝土，改为每开挖1.0m都要进行支护。

4.4 改进后的模拟计算分析

改进后，为方便与改进之前的结果进行对比，将得到的管线沉降数据折算至同为12个步骤。管线沉降量绘制如图10所示。改进后的模拟沉降量和原模拟结果对比如图11所示。

图10 改进后上水管道沉降曲线

图11 改进前后管道沉降曲线对比

经过分析，优化改进有效解决了两个问题：

（1）改进支护方案与开挖步距之后，重新建立模型计算，结果是：数值模拟计算的管线沉降量更精确地贴合了实际监测数据。

（2）沉降量误差率明显减小，其中第6和第8施工步序的沉降量计算误差率降低至4.12%和6.35%，更准确地符合实际开挖情况。

（3）增加了锚杆支护手段和缩小了台阶开挖步距之后，隧道下穿管线沉降量有所降低。降低最明显的是隧道施工至管线正下方的三个施工步序，沉降量分别降低了25.10%、24.30%和21.50%。但是这三个施工步序改进前的模拟沉降量范围是2.17～3.86mm，沉降量数值较小，降低至1.63～3.02mm，对管线安全的意义不大。

（4）对管线安全影响较大的数据指标是最大沉降量，施工至研究段边界时沉降量较大的两个施工步序的管线沉降量在一定程度上减小了，分别从6.92mm和7.16mm降低到6.38mm 和6.72mm，降低比例为7.80%和6.14%。虽然改进后计算的结果对管道的安全更加有利，但是由于该隧道的开挖半径和深度不大，不属于大断面隧道开挖，所以锚杆的支护方式对本次隧道下穿时管线的沉降影响并不大。

（5）从管线的安全角度讲，增加锚杆支护和减小台阶步距可以减小管线的最大沉降量，但从人力、财力、材料和工期等角度看，该改善并不划算，目前的方案已经能够保证管线的沉降满足安全要求。

5 结束语

经数值模拟和实际监测数据对比分析，可知隧道施工过程中隧道结构变形量的计算和实测数值基本相同，模拟得到的管道沉降变化趋势和实际监测变化基本相同，部分数据吻合程度较低，验证了数值模拟结果的准确性。同时针对两个误差较大的问题进行了模型改进研究，主要改进了支护手段和施工工艺。根据对改进后的模型重新模拟计算的结果可知，重新模拟计算的管线沉降量有所减小，模拟计算与实际监测的数据能够吻合，更能够保障隧道施工过程中管道的安全，达到了模型改进研究的目的。