地鐵盾構隧道施工對鄰近管線的影響分析

王忠昶，虢新平，王川，唐靜

(大連交通大學 土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

地鐵盾構隧道施工擾動造成地層變形進而誘發地下管線變形、破壞，導致各種惡性事故屢次發生[1-2].盾構隧道引起的地層變形及其對地下管線的影響涉及到兩個方面[3].①隧道圍巖受施工擾動的影響范圍和受擾動作用后土層的形變與穩定性；②施工擾動作用下的地下管線的承載能力及其附加應力與形變.周晶等[4]采用平面單元研究了波作用下的連續直埋管線與四周土體的形變.得出：土質對管線的響應影響較大，管線與土體間的摩擦系數越大，管線的應力越大；吳波[5]采用ANSYS軟件建立了三維地下管線模型，考慮隧道支護結構、土體與地下管線三者的相互耦合作用分析了施工過程中埋管的安全狀態，提出了管線安全性評估的具體標準；畢繼紅，劉偉，江志峰[6]采用ABAQUAS軟件分析了隧道施工擾動對地下管線的影響，認為管線和盾構隧道之間的相對距離越小，施工擾動對埋管的影響越大，當管線埋深一樣時，剛度越大，管線產生的形變越小，由此帶來的附加應力越大，管線的沉降受管線下臥層土體的剛度制約，隨著土體剛度的增大，剛度制約越不不明顯；吳為義[7]利用FLAC3D軟件分析了杭州地鐵盾構隧道施工對與隧道平行的地下管線的影響，得出：地下管線的沉降與管線埋深、管線與隧道水平距離等因素有關；駱建軍等[8]結合北京地鐵黃莊站4號線工程分析了隧道施工對埋管的擾動影響，得出：管節差異沉降不大于限制準則，管線符合形變限制準則.本文采用FLAC3D軟件建立了隧道-土體-管線的共同作用模型，研究了盾構施工引起的地層變形及其對地下管線受力和變形產生的影響，預測了盾構施工時埋地管線的變形情況.

1 工程概況

大連地鐵二號線春光街站(AK13+104.0)至香工街站(AK15+004.0)區間隧道，隧道全長為2.9 km，盾構施工長度為2.3 km.雙線盾構隧道中心間距為18 m，埋深15 m.盾構區間內存在兩條地下管線，其中，一條鑄鐵燃氣管道與地鐵隧道垂直，管線埋深2 m，管線外徑為0.5 m，管線壁厚為0.02 m；另一條混凝土污水管道位于兩條隧道中央部位，與隧道平行，管線埋深4 m，管線外徑為1m，壁厚0.14 m.盾構機采用土壓平衡盾構機，盾構機刀盤外徑為6.4 m，盾殼外徑為6.34 m.盾殼長度為7.74 m，盾殼厚度為7 cm.C50混凝土管片內徑5.4 m，外徑6 m，管片寬度為1.2 m，盾尾同步注漿壓力為0.2 MPa.

根據地質勘查報告，該地區地層從上到下為素填土、黏土、卵石、強風化巖石、中風化板巖，間隙計算參數通過實測數據擬合而成，采用注漿體厚度10 cm模擬7 cm厚的盾殼，盾殼的彈性模量取為70GPa.土層與襯砌結構的力學參數如表1所示.

表1 土層與襯砌結構的力學參數

2 隧道-管線數值計算模型的建立

隧道襯砌結構外徑D為6 m，內徑d為5.4m，隧道埋深h為15 m，隧道軸線間距l為18 m.隧道左右邊界取4D，下部取3D，上方取至地表，計算模型的長×寬×高為72 m×60 m×40 m，取平行隧道橫斷面水平向為x軸，豎向為z軸，沿隧道軸線推進方向為y軸，建立三維坐標系.模型上表面為自由面，底部邊界為固定約束，側邊界為側向位移約束，計算過程中地面施加20 kPa的均布荷載，模型共劃分85 248個單元.數值計算模型如圖1所示.整個模型先開挖右線隧道，再開挖左線隧道，掌子面壓力采用均布0.3 MPa進行模擬計算.

圖1 隧道-土體-管線三維數值計算模型

3 計算結果分析

3.1 地層沉降變形規律分析

圖2給出了右線施工時距監測斷面Y=18 m不同距離時的地表沉降曲線.由圖可見：隨著右線隧道的掘進，拱頂上方最大沉降值不斷增大，沉降槽寬度不斷增大.施工開挖面到達監測斷面時，最大沉降值為3.4 mm，盾殼通過后最大沉降值為6.3mm，后期注漿及地層穩定后最大沉降值為10.0mm，各階段沉降占比分別為34%，29%，37%.

圖2 距監測斷面不同距離的沉降曲線(右線施工)

圖3給出了左線施工時距監測斷面Y=18 m不同距離的地表沉降曲線.由圖可見：隨著左線隧道的掘進，左線上方地層沉降不斷增大，右線和左線沉降值相互疊加.當右線隧道貫通后，地表最大沉降值為11.26 mm，根據Peck公式計算得到盾構隧道地層體積損失率為1.46%，地表沉降槽寬度系數為0.81.

圖3 距監測斷面不同距離沉降曲線(左線施工)

圖4給出了雙線隧道盾構施工過程中Y=18m截面隧道正上方(X=9 m和X=-9 m)地表和雙線隧道中央上方(X=0)地表沉降歷時曲線圖.由圖可見：隨著右線隧道掘進施工，右線頂部地表監測點3迅速發生沉降變形，后期逐漸平衡，中央監測點2迅速發生沉降，但是沉降值小于監測點3，左線隧道頂部監測點4發生少量沉降變形.左線隧道施工過程中，監測點4迅速發生沉降變形，監測點2產生疊加變形，監測點3受到新的擾動，發生少量沉降變形.

圖4 沉降歷時曲線

3.2 地下管線沉降變形

(1)垂直管線沉降變形

圖5為右線隧道貫通時燃氣管的沉降云圖，圖6為左線隧道貫通時的燃氣管的沉降云圖.由圖可見：右線隧道貫通，燃氣管最大沉降值為10.1mm，左線隧道貫通時，燃氣管最大沉降值為11.4 mm，最大沉降位置基本相同.

圖5 管線沉降云圖(右線隧道貫通)

圖6 管線沉降云圖(左線隧道貫通)

圖7為右線、左線隧道貫通時，管線的沉降曲線，從圖中可以看出，右線隧道貫通時，管線的沉降曲線符合高斯正態分布；當左線隧道貫通時，疊加后的管線沉降槽不再符合高斯正態分布.

圖7 管線沉降曲線

(2)平行管線變形

圖8為右線施工掘進30 m，污水管的沉降云圖.圖9為隧道盾構施工不同階段污水管的沉降曲線.從圖8和圖9中可以看出，隨著右線盾構掘進施工，污水管道沉降逐漸增大，當右線隧道貫通時，管線最大沉降值沿縱向相差不大，最大沉降變形為5.45 mm；左線隧道盾構施工，污水管道沉降繼續增大，左線隧道貫通后，污水管線最大沉降值為9.79 mm.

圖8 管線沉降云圖(放大1 000倍)

圖9 管線沉降曲線

3.3 地下管線受力分析

(1)垂直管線受力

當右線和左線隧道相繼貫通時，燃氣管線的應力狀態也隨著發生相應變化.右線隧道貫通時，燃氣管線所受最大主應力的范圍為1.3～3.1 MPa，最大拉應力為3.1 MPa，參考管線沉降曲線，最大位置為管線曲線半徑最小處，處于管線彎曲外側；最小主應力的范圍為3.1～7.6MPa，最大壓應力為7.6 MPa，位于右線隧道正上方管線管頂部位，即彎曲內側.

當左線隧道貫通時，燃氣管所受最大主應力范圍為1.2～2.4 MPa，最大拉應力為2.4 MPa，燃氣所受最小主應力范圍為3.1～5.6 MPa，最大壓應力為5.6 MPa，較右線貫通減小，主要原因是由于沉降槽寬度增大，管線變形相對變平緩.

(2)平行管線受力

當右線隧道和左線隧道相繼掘進30 m時，污水管線的最大主應力和最小主應力也隨著發生變化.作為平行管線的污水管線，當右線隧道掘進30 m時，污水管線所受最大主應力范圍為3.0～0.95 MPa，最大拉應力為0.95 MPa，最小主應力范圍為1～2.35 MPa，最大壓應力為2.35 MPa，最大拉應力部位和最大壓應力部位參考污水管的沉降曲線圖，管線曲線半徑越小，曲線內側受壓，外側受拉.

當左線隧道掘進30 m時，污水管道所受最大主應力范圍為2.04～0.80 MPa，最大拉應力為0.80 MPa，最小主應力范圍為1.03～2.31 MPa，最大壓應力為2.31 MPa，相比右線隧道施工掘進30 m時略有減小.

3.4 管線驗算

根據節管線控制標準，以及設計單位提供的最大沉降值(50 mm)進行驗算比對.管線的最大傾斜率為1.46 mm/m<2.55 mm/m.燃氣管線的最大沉降值11.4 mm<50 mm，污水管線的最大沉降值9.79 mm<50 mm；燃氣管線最大拉應力為2.4 MPa<[σt]=37.21 MPa，最大壓應力為5.6MPa<[σc]=127.4 MPa，污水管線最大拉應力為0.8 MPa<[σt]=37.21 MPa，最大壓應力為2.31 MPa<[σc]=127.4 MPa.

經驗算管線處于安全狀態.出于安全儲備以及施工情況的復雜性的考慮，應適當采取有效手段控制沉降量.

4 結論

本文在對大連地鐵二號線某區間雙隧道盾構工程進行了模擬后，分析了盾構施工過程中引發的地層及附近地下管線變形和受力情況，得出以下結論：

(1)隨著右線隧道的掘進施工，拱頂上方最大沉降值不斷增大，沉降槽寬度不斷增大.施工開挖面到達監測斷面時，最大沉降值為3.4 mm，盾殼通過后最大沉降值為6.3 mm，后期注漿及地層穩定后最大沉降值為10.0 mm，各階段沉降占比分別為34%，29%，37%.隨著左線隧道的掘進施工，左線上方地層沉降不斷增大，右線和左線沉降值相互疊加.當右線隧道貫通后，地表最大沉降值為10.0 mm.雙線隧道施工完成后，橫向地表沉降槽并不符合疊加理論，存在少量差值，雙線隧道貫通，最大沉降值為11.26 mm.按兩條隧道互不影響沉降疊加，最大沉降值為11.93 mm;

(2)右線隧道貫通，燃氣管最大沉降值為10.1 mm，左線隧道貫通時，燃氣管最大沉降值為11.4 mm，最大沉降位置向左有少量偏移.隨著右線盾構掘進施工，污水管道沉降逐漸增大，當右線隧道貫通時，管線最大沉降值沿縱向相差不大，最大沉降變形為5.45 mm；左線隧道盾構施工，污水管道沉降繼續增大，左線隧道貫通后，污水管線最大沉降值為9.79 mm;

(3)右線隧道貫通時，燃氣管所受最大拉應力3.1 MPa，最大壓應力為7.6 MPa.左線隧道貫通后，燃氣管所受最大拉應力2.4 MPa，最大壓應力為5.6 MPa，較右線貫通減小，主要原因是由于沉降槽寬度增大，管線變形相對變平緩.右線隧道貫通時，污水管線所受最大拉應力為0.95 MPa，最大壓應力為2.35 MPa.左線隧道貫通后，污水管道所受最大拉應力為0.80 MPa，最大壓應力為2.31 MPa，相比右線隧道貫通時時略有減小;

(4)經驗算燃氣管和污水管均處于安全狀態.