隧道下穿角度对既有管线的影响研究

2022-09-20孙壮壮

石家庄铁道大学学报(自然科学版) 2022年3期

孙壮壮

(中铁第一勘察设计院集团有限公司桥梁隧道设计院,陕西西安 710000)

0 引言

随着中国经济的快速发展，城市轨道交通日益重要，城市隧道工程数量也不断增加[1]，对城市隧道施工测量技术及研究也日益增多。刘循[2]对城市隧道工程测量技术开展了相关研究，胡宝生等[3]对城市隧道工程中爆破与非爆破施工方法的适用范围进行了研究，梅勇文[4]对城市隧道设计和施工技术研究做出了贡献，梁征楷[5]对城市隧道盾构施工技术开展了相关研究。此外，城市核心地区地下管线网络错综复杂，隧道与既有管线的错位交叉穿越不可避免。隧道施工过程中容易引起附近地表的沉降和变形，也会造成周围地下管线的较大变形，严重的甚至会导致发生断裂和破损事故[6-7]，因此研究隧道下穿施工对既有管线的影响非常重要。

已有相关学者开展隧道施工下穿对既有管线的影响研究，其中包含盾构隧道施工对既有管线的影响研究[8-14]，下穿双线地铁隧道对管线的影响[15]，浅埋暗挖法下穿管线施工标准及控制研究[16-17]，以及其他类型下穿管线的影响研究[18-21]。上述研究表明，隧道下穿既有管线会引起管线上覆附加应力的增加以及管底土压力的减小。相同条件下，管隧间距越小以及地层损失率越大，管线上覆附加应力增加量越大，隧道与管线的不同位置关系对管线影响明显，位于管线中心线处的管线沉降要明显大于其他位置。张学进[22]研究了隧道不同埋深及夹角下对管线的沉降影响，研究表明，埋深越大，隧道开挖对地层竖向的沉降范围影响越大，最大沉降量越大，不同夹角下，与隧道水平面交汇处的管线沉降不随夹角变化而变化。结合某工程隧道下穿既有管线工程，采用三维有限元数值模拟，研究分析下穿隧道与既有管线不同夹角下对附近地层沉降变形及既有管线沉降变形的影响。

1 工程概况

选取某工程隧道下穿既有管线作为案例，该工程地质情况从上向下依次为8 m厚的风化土地层、13 m厚的风化岩地层、42 m厚的软岩地层，其中既有管线处于风化岩地层中，隧道处于软岩地层中。管线材质为铸铁水管，半径1 m，管壁厚度15 mm，管线底部距离隧道结构顶板约10 m，隧道与管线相对位置关系见图1。

图1 隧道与管线相对位置关系(单位:m)

2 有限元模型建立

2.1 分析工况

基于典型管线结构和隧道轮廓，结合周围土体情况建立数值模型，分析研究既有管线与隧道开挖夹角、既有管线沉降变形的相关性。为了模拟隧道施工过程对上方既有管线的影响，采取施工阶段分步开挖过程进行分析，具体模拟过程如下：隧道每段开挖2 m，开挖时前段施加锚杆，在开挖下一段的同时对前段施作喷混。

本次模拟了10段开挖过程，以隧道下穿管线30°、60°、90° 3个工况进行计算分析。

2.2 模型建立及参数选取

数值模拟破坏准则土层采用摩尔库伦准则，隧道喷混、锚杆及管壁采用弹性模拟；模型中土层采用实体混合网格单元模拟，喷混、管壁采用二维板单元模拟，锚杆采用植入式桁架模拟，长度为4 m。由于管线的竖向沉降变形远大于横向变形，因此计算中只考虑竖向沉降变形。计算参数见表1。

表1 材料参数

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)，风险等级较低且无特殊要求的地下管线沉降和差异沉降控制值见表2。

表2 地下管线沉降及差异沉降控制值

合理地确定模型体量及网格疏密是数值计算可行性和可靠性的基本保障。该地基土体的模型尺寸可依据已有的研究经验来确定，即当地基土体模型自重方向、水平方向的几何尺寸分别控制为不小于隧道及地下管线对应尺寸的3倍和5倍时，边界效应影响可忽略，网格剖分采用隧道和管线周围网格相对密集、边界处网格相对稀疏的划分效果，网格稀疏处网格尺寸为1 m，隧道密集部分采用0.2 m，可同时满足计算精度及收敛性要求。整体数值模型如图2所示，模型整体尺寸为45 m×20 m×63 m(宽×长×高)，隧道与既有管线相对位置关系如图3～图6所示。

图2 整体数值模型

图3 隧道与既有管线90°夹角

图4 隧道与既有管线60°夹角

图5 隧道与既有管线30°夹角

图6 隧道锚杆与喷混结构示意图

3 计算结果分析

3.1 地层沉降变形

隧道开挖过程中不可避免地对周围地层产生影响，因此研究隧道施工过程中沉降变形规律很有必要，图7展示了考虑施工阶段条件下，隧道全部开挖支护完成后不同夹角情况下的地层沉降变形。

图7 地层沉降变形

从图7(a)可以看出，当下穿隧道与既有管线夹角为30°时，隧道仰拱处发生隆起，隆起最大高度为3.47 mm，在隧道拱顶处发生较大沉降，最大沉降高度为3.69 mm；从图7(b)中可以看出，当下穿隧道与既有管线夹角为60°时，隧道隆起位置同样发生在仰拱位置，最大隆起高度3.47 mm，最大沉降位置也发生在拱顶位置，沉降高度为3.70 mm；图7(c)中，当下穿隧道与既有管线夹角为90°，即两者正交时，最大隆起与沉降位置依然在仰拱和拱顶位置，最大隆起和沉降高度分别为3.46 mm和3.70 mm。

综合分析可得出以下结论：3种工况下，隧道仰拱处均发生明显隆起，地层竖向沉降较大处主要集中在隧道拱顶位置，而且不同夹角对隧道开挖引起的地层竖向变形的范围和沉降数值影响不大。

3.2 施工阶段对管线变形的影响

为了更好地分析管线纵向各位置沉降规律，选取管线顶部在X坐标轴上的投影线为分析对象，做出各个点位的最终沉降线图，图8展示了不同施工阶段对管线竖向沉降变形的影响。

图8 管线沉降变形

从图8(a)中可以看出，当下穿隧道与既有管线夹角为30°时，随着施工阶段的进行，管线竖向沉降变形增大，在施工全部完成后管线最大沉降位置发生在隧道正上方，最大沉降高度为1.98 mm，在S1～S11施工阶段中，由于隧道与管线夹角的存在，隧道在施工前段部分时，隧道管线X负方向最先靠近隧道的一侧受到隧道开挖施工的影响，随着施工阶段的进行，管线另一侧也逐渐受到影响，因此图8(a)中管线沉降曲线呈现沿隧道两侧不完全对称的现象，且随着施工阶段的进行，管线沉降逐渐增大，且沉降最大位置发生在隧道正上方。

在图8(b)中，当隧道与既有管线夹角为60°时，管线随着隧道施工的进行而导致的沉降规律与夹角为30°时类似，但是管线两侧的不对称沉降区别减弱，并且也随着施工的进行沉降逐渐增大，最大沉降位置发生在隧道正上方，最大沉降高度为2.00 mm。

图8(c)中，当夹角为90°时，管线两侧的不对称沉降完全消失，沿隧道正上方两侧对称分布的规律更加明显，随着施工的进行沉降逐渐增大，最大沉降位置发生在隧道正上方,最大沉降高度为1.96 mm。

综合分析可以看出，不同施工阶段中管线的沉降变形规律相近，随着施工阶段的进行，沉降逐渐变大，最大沉降位置发生在隧道正上方，随着隧道与既有管线夹角的增大，两侧沉降变形的不对称性逐渐减弱，当两者夹角为90°，即两者完全正交时，两侧沉降变形完全对称，而且从两侧向中间呈现先缓慢沉降，后快速沉降的变形规律，根据最大沉降高度可以看出，不同夹角对管线最大沉降变形的影响较小。