盾構隧道施工對鄰近管線的沉降影響分析

方繼安 于海峰 葛忻聲

1. 中鐵六局集團有限公司 北京 100036；2. 太原理工大學土木工程學院 山西 太原 030024

目前，國內外學者已經就盾構施工對管線的影響進行了很多研究。祝樹紅等[1]利用ABAQUS有限元計算程序，根據隧道與既有鄰近管線的垂直關系，對盾構隧道開挖過程中的鄰近區域土體擾動以及鄰近既有管線的變形進行了研究；張平[2]應用現場實測與ANSYS軟件模擬分析相結合的措施，對管線與鄰近土體相互作用應力、隧道開挖時鄰近地下管線實測變形量、盾構施工的數值計算、管線性狀的影響參數等進行研究；王培利等[3]以上海軌道交通8號線某區間盾構隧道穿越既有原水管道為工程背景，應用ABAQUS有限元三維數值方法，分析盾構穿越既有原水管道時的原水管道沉降變形特征，分析不同施工參數對原水管道沉降的影響，并對既有原水管道沉降變形進行現場監測分析；魏綱等[4]基于Winker彈性地基梁模型，通過研究管土相互作用效應，推導出連續管線應力應變與地表沉降解析式。在現有成果的基礎上，本文借助FLAC3D軟件建立了盾構隧道施工垂直下穿管線的數值分析模型，對盾構施工引起管線變形的因素及多個影響因素的顯著性進行了研究，給出了盾構隧道施工時控制管線變形的初步建議。

1 數值計算模型

數值計算模型根據太原市軌道交通2號線某盾構區間隧道施工垂直下穿一條大直徑雨污水管線的工程背景建立，在隧道開挖過程中須嚴格控制地層沉降，保證地面交通正常運行及周圍建筑物的安全。盾構施工技術參數：開挖面上方土壓為0.15～0.20 MPa，下部土壓為0.21～0.26 MPa，推進速度62 mm/min，襯砌注漿壓力0.25 MPa，注漿量為3 m3/環。數值計算模型及其簡圖如圖1所示。

圖1 數值模型及其簡圖

2 計算結果分析

通過模擬程序計算得到隧道貫通時土體與管線的沉降云圖，如圖2所示。盾構隧道全部開挖完成后，拱頂土體向下沉降，拱底土體向上擠壓，隧道周邊土體變形量較大，距隧道遠的土體變形量較小。拱頂位置土體沉降達到最大，地表橫向沉降形式基本符合高斯曲線分布。管線產生最大沉降的位置為管線中部，處于隧道中心軸線正上方，管線的整體沉降趨勢基本符合高斯曲線分布。

圖2 土體及管線沉降云圖

隧道開挖計算時，將盾構機開挖的速度視為2.4、3.6、4.8、6.0 m/步。不同的隧道開挖速度對管線沉降影響曲線如圖3所示，隧道的開挖速度對管線的沉降影響顯著。管線最大沉降的變化趨勢如圖4所示，管線最大沉降隨隧道開挖速度的增大而增大，沉降增長趨勢逐漸變緩，在隧道開挖速度達到4.8 m/步后，管線產生的最大沉降逐漸趨于平穩。

支撐壓力比是掌子面支撐壓力與靜止土壓力的比值。計算時選取數值為0.2、0.3、0.4、0.6進行數值分析。隧道開挖穿過管線后管線的沉降情況較明顯，因此當模型隧道開挖至33.6 m時記錄管線的沉降數值。

不同支撐壓力比的影響如圖5所示，當支撐壓力比為0.2時，管線最大沉降為6.122 mm；當支撐壓力比為0.5時，管線的最大沉降為5.263 mm。管線最大沉降的變化趨勢如圖6所示。掌子面支撐壓力比與管線的最大沉降近似成反比關系，隨掌子面支撐壓力比的增大，管線的最大沉降量逐漸減小。

隧道直徑的大小也是影響管線沉降的一個重要參數。根據不同的工程建設，選取合適的隧道直徑尤為重要。本節始終保持隧道與管線的軸線相對位置不變，隧道直徑數值設為5、6、7、8 m。隧道不同直徑的影響如圖7所示。當隧道直徑為5 m時，管線的最大沉降為9.212 mm，當隧道直徑為8 m時，管線的最大沉降達到24.115 mm，沉降增大161.78%。由此可見，隧道直徑的變化對管線的沉降影響顯著。管線最大沉降變化趨勢如圖8所示，隧道直徑與管線最大沉降兩者近似成反比關系，管線的最大沉降隨隧道直徑的增大而變大。

在盾構隧道開挖工程中，隧道和管線的距離是影響管線沉降的重要因素。控制管線的覆土厚度不變，選取管線與隧道距離分別為6、7、8、9 m，不同管隧間距的影響如圖9所示。當管隧間距為6 m時，管線產生的最大沉降為20.462 mm；當管隧間距為9 m時，管線最大沉降為15.417 mm，沉降減小約24.65%。管線最大沉降變化趨勢如圖10所示，管隧間距以一定增量逐漸增大時，管線的最大沉降也近似定量減小。

3 影響因素的顯著性分析

本節采用灰色關聯分析法對第2節各影響因素引起的管線沉降的顯著性進行排序，以便在實際工程中采取有效措施以減小管線沉降。從數學角度考慮，灰色關聯分析 法[5]屬于幾何的處理方法，它對一定的數據順序采取幾何比較，這些順序反映了各個因素的變化特征。通過對比各個因素的關聯曲線，由序列曲線走勢的相似程度確定關系的大小，得出各因素的關聯程度。曲線之間的距離越小，關聯度就越大；反之越小。灰色關聯分析法打破了以往精確數學絕不允許存在模棱兩可情況的規則，這種方法對數據間的分布規律及各個因素的相關性沒有要求，具有原理簡單、方便掌握和操作、計算準確等優點。因此，灰色關聯分析法已被各個學科廣泛應用。

3.1 確定系統特征行為序列及因素行為序列

系統特征行為序列（參照序列）的準確選擇對灰色關聯分析至關重要。本文選用管線最大沉降作為參照序列X，系統相關因素行為數據序列（比較序列）Y包括隧道開挖速度、支撐壓力比、隧道直徑及管隧間距4個因素。

在符號矩陣中，設立一項故事元素為X，其對立面是反X，與X矛盾但并不一定對立的是非X，反X的矛盾方即非反X。X和反X相互對立；非X是X的矛盾項，非反X是反X的矛盾項；X和非反X、反X和非X相互蘊含或互補。矩陣如下圖所示：

通過第2節的數值計算結果，可得出管線隧道開挖速度、隧道直徑與管線最大沉降成正比關系，掌子面支撐壓力比、管隧間距與管線最大沉降成反比例關系，通過對反比例相關參數，采取倒數化處理得到準確的對比序列。各個影響因素變化下管線產生的最大沉降數值如表2所示。

表2 各影響因素變化時管線最大沉降數據

參照序列X以及比較數據序列Y分別為：

3.2 數據變換

由于各影響因素的物理意義以及量綱并不完全統一，因此，必須要對指標序列進行數據變換。本次分析采用多指標序列數據變換，即多指標中的成本型數據變換的處理方法。通過求解差異矩陣中的二級最大差及最小差，以及鄧氏關聯度等相關公式，解得關聯系數矩陣為：

3.3 顯著性分析

用解得的關聯系數矩陣，求解關聯度＝[隧道開挖速度 掌子面支撐壓力比 隧道直徑 管隧間距]＝[0.681 0.704 0.937 0.866]。

通過上述計算，以管線的最大沉降量為指標，對各個影響因素的顯著性進行對比及排序研究[6-7]，對管線沉降量影響的顯著程度由弱到強依次為：隧道開挖速度、隧道掌子面支撐壓力比、管隧間距、隧道直徑。

4 結語

本文對盾構施工引起管線變形的因素及多個影響因素的顯著性進行了研究，得到以下結論：

2）隧道直徑的大小變化對管線的沉降影響最大，因此在進行大直徑盾構隧道開挖時，應對周圍管線進行位移監測，實時觀察管線變形情況，避免隧道開挖使周圍管線發生破壞，導致施工事故。

[1] 祝樹紅,周唯銥,徐鵬舉.盾構施工對地下管線影響數值模擬研究 [J].低溫建筑技術,2016,38(2):119-122.

[2] 張平.地鐵盾構施工對鄰近地下管線的影響分析[D].保定:河北大 學,2017.

[3] 王培利,雷震宇,周駿.盾構隧道近距離平行穿越原水管道沉降分析 [J].現代城市軌道交通,2015(6):38-41.

[4] 魏綱,林雄,金睿,等.雙線盾構施工時鄰近地下管線安全性判別[J]. 巖土力學,2018,39(1):181-190.

[5] 李梓源,王海亮.基于灰色關聯度分析法的淺埋隧道圍巖穩定性研 究[J].安全與環境學報,2017,17(6):2079-2082.

[6] 吳為義,孫宇坤,張土喬.盾構隧道施工對鄰近地下管線影響分析 [J].中國鐵道科學,2008(3):58-62.

[7] 孟祥軍.盾構隧道施工對鄰近地下管線的影響[J].科技展望,2015, 25(3):25.