地铁隧道下穿输水管道变形控制标准研究

梁 涵

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043）

引言

随着社会的快速发展，城市的交通拥堵现象日益明显，而地铁以其低碳安全、准时快捷、乘客量大、能源消耗低等优势，被广泛认为是缓解交通压力的有效方法。面对新一轮建设规划的批复，越来越多的地铁线路投入到建设中，周边环境越来越复杂，各类难题也不断出现。盾构施工会对地层产生扰动，地层位移会对密布的城市地下管线形成较大威胁，很多学者对此做了大量工作[1-3]，取得了一定的成果，采用的方法有经验公式、模型试验、下穿实测、数值计算等，吴波[4]等通过模型试验，建立了隧道结构-土体-地下管线耦合作用的三维有限元分析模型，贾瑞华[5]借助ABAQUS 用位移加载法模拟隧道开挖对管线的影响，彭基敏[6]等利用ANSYS 探讨了盾构推力、注浆程度等因素的影响。但已有研究大多为管线下穿和平行，对大直径、小角度下穿的隧洞结构管道情况鲜有涉及。作为2 号线二期周边重大风险，输水管道承载着市内70%的生活用水，管道安全关乎全市政治、经济、民生和社会稳定大局，保护好管道安全运行意义重大。

1 工程背景

1.1 工程概况

拟建地铁区间左线长1 597.225 m，右线长1 593.704 m，线间距5～16.0 m，区间含有三处平曲线，最小曲线半径为600 m，线路含一处竖曲线，最大纵坡22.946‰。区间由盾构井始发，由南向北掘进至680 m 处开始斜下穿三根输水管道，夹角为29°，隧道结构与管底最小距离为7.85 m。关系图见图1。

图1 区间与输水管道平面关系

1.2 工程水文地质概况

下穿管线处地层自上而下依次为1-2 素填土、3-1-1 新黄土、3-2 古土壤、4-1-1 老黄土、4-2-1 古土壤、4-1-2 老黄土层，地下水埋深约38.8 m，位于输水管下方约17.3 m，隧道范围内各土层修正后围岩分级为Ⅵ级，岩土施工工程分级为Ⅲ级。

1.3 下穿处输水管现状情况

区间盾构隧道斜下穿三根输水管道（两根Ⅰ期，1根Ⅱ期），夹角为29°，输水管道为混凝土马蹄形断面，壁厚0.3 m，Ⅰ期内净空宽和高均为2.7 m，Ⅱ期内净空宽和高均为2.5 m。混凝土采用C20，矿山法施工。输水管信息详见表1。

表1 输水管隧洞结构尺寸及工程材料

2 变形控制标准研究

2.1 输水管道变形承受能力分析

为了评估管道一期隧洞不均匀变形的承受能力，在数值计算中通过减弱土层刚度，根据隧洞结构的最大拉应力达到极限值时的变形状态来反算最大沉降。考虑一期少陵塬隧洞建成通水时间较长，且为素混凝土结构，砼标号为C20，结构抗拉强度设计值取C20的75%，即1.10×0.75=0.825 N/mm2=825 KPa。

本节采用SAP84 有限元分析软件，反算输水管结构变形承受能力。计算考虑模型边界效应，主要以输水管道结构的压应力及差异沉降为分析对象，输水管道的应力位移云图及竖向位移云图见图2、图3。

图2 管道一期隧洞反最大应力极限值云图

图3 管道一期隧洞反算最大应力极限值所对应沉降云图

由以上计算结果图可知，盾构区间下穿输水管，当输水管结构拉应力接近临界值825 KPa（位于拱底位置，813 KPa）时，隧道差异沉降值为（12.4-2.2）/15 000=0.068%。

2.2 输水管道变形控制值

周边环境的变形控制值应根据环境对象的类型与特点、结构形式、变形特征、已有变形、正常使用条件，并结合环境对象的重要性、易损性及相关单位的要求进行确定。对重要的、特殊的或风险等级较高的环境对象的变形控制值，应在现状调查与检测的基础上，通过分析计算或专项评估确定。

根据前文所述，输水管道隧洞风险等级为Ⅰ级，同时参考地铁四号线盾构下穿输水管道专项施工方案论证会专家意见及施工监测数据成果，本文初步拟定区间盾构下穿输水管道一期隧洞引起的隧洞结构素混凝土段沉降累计控制值取8 mm，沉降变化速率控制值为1.8 mm/d，差异沉降控制值取0.2%；区间盾构下穿输水管道二期隧洞引起的隧洞结构钢筋混凝土段沉降累计控制值取为10 mm，沉降变化速率控制值为2 mm/d，差异沉降控制值取0.25%。

3 变形影响因素分析

大量的工程实践经验表明，盾构施工引起的主要变形发生在盾构通过阶段，该阶段变形一般占总变形量的60%以上，产生变形的主要原因是随着掘进盾尾向前移动，导致管片与围岩间形成间隙造成围岩松动和下沉，所以，盾构施工时，注浆是关键，施工时要及时壁后注浆与填充。施工实践证明，同步注浆对抑制地表下沉效果明显。

同时区间盾构隧道下穿地层主要为古土壤及老黄土层，土质密实，无引起非正常地层损失的不利地质因素。结合全国地铁工程施工经验，并根据西安地铁实践情况，盾构施工过程中引起的地层损失可控。

4 变形计算

4.1 数值模拟

本节采用MIDAS NX 有限元分析软件建立区间盾构隧道下穿输水管道的三维有限元分析模型，模型尺寸：X、Y、Z 方向上长度分别约为250 m、150 m、60 m。边界约束：底部约束X、Y、Z 方向位移，四周约束X、Z 方向位移，上表面为自由面。土体均采用实体单元模拟，输水管道结构和盾构衬砌均采用板单元模拟。模型中输水管道和盾构隧道的相对位置关系见图4。

图4 三维有限元分析模型

4.2 计算参数

模型共分9 个土层，各土层物理力学参数根据地勘报告取值，弹性模量一般取压缩模量的3～5 倍，本次计算取5 倍。

4.3 计算方案与模拟工序

计算模拟中，盾构左、右线均采用分段的方式模拟，每一段长度为3 m，模拟工序为先掘进右线，待右线施工完后，再掘进左线。依次添加掘进压力、注浆压力、千斤顶力。

4.4 计算结果与分析

本次计算考虑模型边界效应，主要以输水隧洞结构的中心竖向沉降为分析对象。模拟正常掘进变形计算和变形控制值强度验算两种工况。输水管道位移云图见图5、图6。

图5 输水管道隧洞结构竖向位移云图

图6 输水管道隧洞结构水平位移云图

由以上计算结果图表可知，盾构区间下穿输水管，输水隧洞结构的中心竖向沉降为3.5 mm，最大水平位移为1.6 mm。

由图7 可知，输水管隧洞衬砌在控制值变形情况下最大拉应力约为338 KPa（小于C20 混凝土轴心抗拉强度设计值825 KPa），位于衬砌拱底部位。隧道差异沉降值为（3.67-1.22）/15 000=0.016%。

图7 隧洞结构在控制值变形情况下衬砌应力图

5 结论

本文针对地铁区间下穿大断面输水管道施工工法选择、施工保护措施、管道变形控制标准等内容进行了研究，结合类似工程经验、产权单位及专家意见，通过MIDAS NX 软件对设计方案进行了数值模拟验证，通过分析得出以下结论：

（1） 对于大断面管道，应先根据运行情况等因素，通过折减，反算管道结构对不均匀变形的承受能力。

（2） 在变形承受能力的基础上，重考虑管道的重要程度，制定合理的变形控制值。

（3） 通过模拟计算分析验证。

综上所述，从工程类比经验来看，采用盾构施工工法对输水管道的保护有成熟的经验可以借鉴和参考，通过分析工程风险特点采取对应的措施，可以实现施工期间安全下穿及后期安全运营的目标。