管道溝槽開挖對(duì)地鐵隧道影響的分析

王科科

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)浙江市政設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310000）

0 引言

根據(jù)杭州市地鐵規(guī)劃，至2022年將建設(shè)完成1號(hào)線三期、2號(hào)線三期、3號(hào)線一期、4號(hào)線二期、5號(hào)線二期、6號(hào)線二期、7號(hào)線、8號(hào)線一期、9號(hào)線一期、10號(hào)線一期共十條線路，總長(zhǎng)196.1 km。屆時(shí)，杭州市軌道交通地下路網(wǎng)密布。地鐵給城市生活帶來便利的同時(shí)也對(duì)市政工程的建設(shè)產(chǎn)生了一定的影響。市政工程施工臨近地鐵隧道時(shí)使原有土層的受力平衡被破壞，導(dǎo)致地基應(yīng)力的重分布。對(duì)原有的地鐵隧道產(chǎn)生了額外的附加力與變形。根據(jù)《杭州市城市地鐵隧道運(yùn)營(yíng)管理辦法》，地下車站與隧道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)50 m內(nèi)為城市地鐵隧道控制保護(hù)區(qū)范圍，在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)從事基坑（槽）開挖、頂進(jìn)、爆破、樁基礎(chǔ)施工、灌漿、噴錨、勘察、鉆探、打樁、降低地下水位等可能影響城市地鐵隧道運(yùn)營(yíng)及設(shè)施安全的作業(yè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)制定專項(xiàng)施工方案，在征得運(yùn)營(yíng)單位同意并依法辦理有關(guān)行政許可手續(xù)后方可進(jìn)行施工。施工引起的地鐵隧道的變形：隆起不得超過10 mm，水平位移不得超過5 mm

本文根據(jù)杭州市某新建道路工程為案例，針對(duì)管道溝槽大開挖施工過程中對(duì)地鐵隧道造成的影響進(jìn)行分析，從而對(duì)臨近地鐵隧道的開挖施工提出建議和措施[1-4]。

1 工程概況

本次新建道路下臥地鐵1號(hào)線。既有地鐵隧道為雙線單圓盾構(gòu)隧道，本工程范圍內(nèi)隧道埋深約10 m，隧道外徑6.2 m，地鐵盾構(gòu)隧道左右線走向平行，雙洞凈間距5.8 m。新建管道主線與地鐵隧道平行，部分段斜交。平行段管道溝槽底與地鐵盾構(gòu)隧道垂直凈距6.7～8.0 m，管道溝槽開挖深度2.5～3.6 m；斜交段管道溝槽與地鐵盾構(gòu)隧道交角約20°，管道溝槽開挖深度3.6～5.0 m，溝槽底與地鐵盾構(gòu)隧道垂直凈距約5.3 m，管道溝槽開挖時(shí)采用輕型井點(diǎn)降水，降水深度在溝槽底以下0.5 m，見圖1。

圖1 設(shè)計(jì)管線與地鐵盾構(gòu)隧道平面位置圖

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料顯示本工程范圍內(nèi)的土層分布主要有：①層厚1.80～2.40 m，填土；②層厚5.6～7.60 m，砂質(zhì)粉土；③層厚 2.80～4.20 m，砂質(zhì)粉土；④層厚 2.60～3.20 m，粉砂；⑤層厚13.00～13.50 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；⑥層厚12.30～13.20 m，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；⑦層厚為1.00～1.50 m，粉質(zhì)黏土；⑧厚度10.1 m，圓礫⑨層厚2.20 m，全風(fēng)化安山玢巖⑩層厚2.20 m，強(qiáng)風(fēng)化安山玢巖。

3 溝槽開挖時(shí)地鐵隧道保護(hù)方案

為了最大限度的減小開挖對(duì)臨近地鐵隧道的影響，在工程的設(shè)計(jì)、施工各個(gè)環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格控制。本工程溝槽開挖深度約2.5～5.0 m，但距離地鐵隧道較近，最小凈距僅5.3 m。由于距離較近，開挖引起的土體擾動(dòng)易對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生直接影響，施工時(shí)總結(jié)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合工程場(chǎng)地地質(zhì)條件。溝槽開挖時(shí)兩側(cè)邊坡采用土釘墻支護(hù)方式，坡度設(shè)為1:0.5，減小開挖面范圍，加固溝槽兩側(cè)土體，使開挖引起土體應(yīng)力變化盡量最小。

4 開挖施工對(duì)地鐵隧道影響的計(jì)算分析

4.1 數(shù)值計(jì)算模型介紹

本次計(jì)算采用MIDAS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，選取管道溝槽與地鐵隧道平行段面、斜交段建立數(shù)值模型，模擬管道溝槽開挖施工過程，分析施工對(duì)下臥既有地鐵隧道的影響。

本次模型建立將平行段和斜交段分別從二維、三維兩個(gè)模型來分別計(jì)算分析。建立模型時(shí)，考慮隧道洞徑及溝槽開挖深度的3～5倍。二維計(jì)算時(shí)，平行段模型可簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題。土體采用四邊形平面應(yīng)變單元模擬，地鐵盾構(gòu)管片采用梁?jiǎn)卧M；三維計(jì)算時(shí)，土體采用四面體實(shí)體單元模擬，地鐵盾構(gòu)管片采用板單元模擬。模型邊界采用MIDAS中地面支承邊界，程序自動(dòng)添加土體各方向約束。

4.2 計(jì)算參數(shù)

各計(jì)算參數(shù)取值見表1、表2。

4.3 模型計(jì)算分析

（1）平行段管道開挖溝槽與地鐵隧道外邊線平面距離6.1 m，垂直距離7.35 m，地鐵隧道雙洞凈間距5.8 m，地鐵埋深10.95 m。溝槽開挖深度3.6 m，采用坡度1:0.5放坡開挖。施工順序：初始自重應(yīng)力平衡→管道溝槽開挖，見表3。

（2）斜交段管道開挖溝槽與地鐵隧道外邊線垂直距離5.35 m，斜交角度20°，地鐵隧道雙洞凈間距5.8 m，地鐵埋深9.5 m。溝槽開挖深度4.15 m，采用1：0.5坡度放坡+土釘墻支護(hù)開挖。管道開挖順序：初始自重應(yīng)力平衡→斜交段兩端土體開挖，鋪設(shè)管道→斜交段兩端土體回填→中間段土體開挖，鋪設(shè)管道→中間段土體回填，見表4。

表1 模型中巖土土層參數(shù)取值

表2 模型中結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

表3 平行段溝槽開挖對(duì)地鐵隧道位移變形

4.4 計(jì)算結(jié)論分析

通過以上計(jì)算，結(jié)果匯總見表5。

從表5中可以看出，經(jīng)過計(jì)算分析，本工程范圍管道溝槽開挖施工時(shí)引起地鐵隧道盾構(gòu)最大隆起值為9.926 mm＜10 mm，最大沉降值為9.794 mm＜10 mm，最大水平收斂值為4.756 mm＜5 mm，滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

基坑開挖對(duì)地基土層產(chǎn)生擾動(dòng)，周圍土體水平應(yīng)力卸載不可避免產(chǎn)生地表沉降，卸載距離地鐵隧道越近隧道的變形越大，隨著開挖深度的加深變形也越大。豎向變形9.926 mm大于水平變形4.756 mm。

斜交段兩端開挖時(shí)的變形較中間段開挖時(shí)的變形大，施工時(shí)可結(jié)合這一特點(diǎn)合理安排施工的時(shí)序與監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置。

表4 斜交段溝槽開挖對(duì)地鐵隧道位移變形

表5 地鐵盾構(gòu)隧道最大變形值統(tǒng)計(jì)

5 溝槽大開挖時(shí)對(duì)地鐵隧道保護(hù)措施建議

在地下軌道交通密布的城市里，市政工程施工時(shí)對(duì)既有地鐵線路的保護(hù)提出了諸多難題。在滿足設(shè)計(jì)計(jì)算要求的同時(shí)，可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及周邊環(huán)境的實(shí)際情況，采取有效安全的施工措施來實(shí)現(xiàn)對(duì)已有地鐵隧道的保護(hù)：

（1）在不得不用基坑支護(hù)的前提下，建議采用土釘支護(hù)來代替鋼板樁。鋼板樁打設(shè)深度遠(yuǎn)大于基坑深度，且拔樁時(shí)易對(duì)土體產(chǎn)生二次擾動(dòng)。

（2）若存在廢棄管道時(shí)，不建議采用挖除回填的方式處理，可對(duì)廢棄管道及檢查井采用吹砂灌漿處理，保留原構(gòu)筑物。

（3）近地鐵段道路施工盡量采用輕型壓路機(jī)壓實(shí)路基。

6 結(jié)語

本文就市政工程中最常見的管道溝槽開挖為案例，用MIDAS有限元軟件來計(jì)算模擬杭州市某條新建道路上大開挖施工對(duì)已建地鐵隧道的影響。

（1）在地鐵隧道安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)大開挖必然會(huì)引起土體應(yīng)力變化，從而對(duì)周邊土體產(chǎn)生沉降和位移，進(jìn)而影響已建地鐵隧道的安全性。經(jīng)上述計(jì)算管道溝槽開挖采用土釘支護(hù)方案可行，對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生的位移較小，保證了地鐵隧道的安全。

（2）利用有限元計(jì)算軟件模擬方法分析得出，管道溝槽開挖對(duì)已建地鐵隧道有影響，變形主要體現(xiàn)在豎向位移，即以沉降為主，水平位移變化較小。地表沉降、隧道水平位移隨溝槽開挖深度的加深逐漸變大。

（3）管道與地鐵盾構(gòu)隧道斜交時(shí)，建議先開挖斜交段兩端的土體，驗(yàn)收合格后及時(shí)回填，再開挖斜交段中間部分的土體。

（4）溝槽開挖應(yīng)針對(duì)本地區(qū)土層的特性應(yīng)用“時(shí)空效應(yīng)”理論，并嚴(yán)格遵循“抽條、對(duì)稱”開挖，“隨挖隨搗墊層”的原則，使土方開挖過程中能可靠而合理地利用土體自身在溝槽開挖過程中控制土體位移的潛力。

[1]JTG/TD70-2010,公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2]JGJ120-2012,建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]裴行凱,倪小東.深基坑開挖對(duì)臨近既有地鐵隧道的影響分析與對(duì)策[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2013（6）:45-48.

[4]杭州市人民政府令第289號(hào),杭州市城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理辦法[S].