沉井施工對鄰近地鐵區間隧道的變形影響分析

中鐵武漢勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430074

文章以武漢某水環境應急治理工程鄰近地鐵區間為例，探討沉井及附屬管道施工期間對周邊已建地鐵區間隧道結構存在變形的影響，為后續類似工程設計及施工提供借鑒。

1 工程概述

武漢某水環境應急治理工程為引水管埋設、一體化抽排泵站沉井施工，上跨某地鐵區間隧道，如圖1所示。一體化抽排泵站規模為0.5m3/s，外設Φ6.0m工作井，井深12.7m，為沉井施工，距離地鐵區間右線8m，對應里程約為DK19+796；新建2根D630×10mm引水管與區間隧道斜交，夾角約40°，對應里程約為DK19+761～DK19+796，引水管底距區間隧道頂約7m。

圖1 沉井及附屬管道與某地鐵區間隧道關系平面圖

2 工程及水文地質

2.1 工程地質

根據工程地質分區原則，擬建場區屬于剝蝕堆積垅崗區（相當于長江沖洪積三級階地）。根據此次勘探揭露，擬建場地表層為松散的人工填土層（Qml）及淤泥（Q1)；上部主要為第四系全新統沖積（Q4al）一般黏性土層，中部為第四系上更新統沖洪積（Q3al+P1）老黏性土及砂質黏性土夾粉土、粉砂、黏質粉砂及礫卵石層；下伏基巖主要為志留系（S）泥巖、含砂粉砂巖及含鈣泥質粉砂巖。

2.2 水文地質

根據場區原始地形條件、地層的水理性質、賦水性能及地下水的埋藏條件，可以得出在勘探深度范圍內，擬建場地地下水類型主要為上層滯水、孔隙承壓水和碎屑巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存于（1）層填土層中，接受大氣降水及周邊居民生活用水垂直下滲補給，勘察期間測得場地上層滯水初見水位在地面下0.3～3.5m。孔隙承壓水主要賦存于（11-1）層砂質黏性土夾粉土、粉砂、（11-2）層黏質砂土及（12）單元卵礫石層中，含水層厚度一般為9.4～37.8m（局部未揭穿）。因層中黏粒含量偏高，滲透途徑不甚暢通，故水量一般。碎屑巖裂隙水主要賦存于志留系的泥巖、含粉砂泥巖、含鈣泥質粉砂巖中的構造裂隙及風化裂隙中，水量一般較小。

3 施工控制措施

為研究沉井及附屬管道施工對周邊地鐵區間隧道的影響，施工過程采取以下對比分析措施：第一，引水管埋設采用明挖基坑快速開挖、快速回填反壓，以減少土體長時間卸荷對地鐵隧道結構產生的不利影響，且軌道交通控制保護區即區間隧道結構外側50m范圍內應僅清除表面浮淤，嚴格控制清淤深度以免對地鐵區間隧道結構產生不利影響。第二，引水管采用水平定向鉆牽引管施工工藝，采用這種非開挖頂進施工工藝以避免土體卸荷對地鐵區間隧道結構產生較大擾動。一體化抽排泵站沉井施工過程嚴禁降水并及時封底，避免水土大量流失對地鐵區間隧道結構產生不利影響。

4 地鐵區間隧道保護標準

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202—2013）、《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911—2013）相關要求，結合工程實際情況，確定變形控制值如表1所示，隧道結構豎向位移控制值為5mm。

表1 城市軌道交通既有線隧道結構變形控制值

5 數值模擬分析

5.1 計算假定

采用Midas GTS NX 2017有限元軟件，用軟件模擬不降水沉井、大開挖及非開挖卸荷施工工藝，計算一體化抽排泵站沉井施工、引水管埋設施工對某地鐵區間的隧道變形，計算原則如下：（1）假定圍巖各層都是各向同性連續介質體，土體采用Modified Mohr-Coulomb模型，該模型可以考慮土體的壓縮硬化與剪切硬化，并采用Mohr-Coulomb破壞準則；（2）假定各土層均成層均質水平分布，地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內；（3）由程序自動獲得初始平衡地應力；（4）沉井及附屬管道施工過程中不降水。

5.2 參數選取

土層參數參照當次《巖土工程勘察報告》確定，各土層基本物理力學性質參數如表2所示。

表2 材料物理力學指標

5.3 引水管明挖施工模型尺寸及邊界條件

采用Midas-GTS有限元軟件建立三維數值模型，計算采用的范圍為長150m、寬140m，高度方向（Z方向）取46m，區間盾構管片采用板單元模擬。模型上表面為自由約束、底部為固定約束、四周為法向約束，模型如圖2、圖3所示。

圖2 引水管明挖施工數值三維模型

圖3 引水管明挖施工沉井及附屬管道與某地鐵區間隧道空間位置關系

5.4 引水管明挖施工計算結果分析

引水管明挖施工計算步驟與施工工況如表3、表4所示。

表3 引水管明挖施工計算步驟

表4 引水管明挖施工工況

沉井及附屬管道施工期間四種工況下地鐵區間隧道結構豎向位移云圖如圖4所示，引起地鐵區間隧道結構的變形結果如圖5所示。

圖4 引水管明挖施工對某地鐵區間隧道結構豎向位移云圖

圖5 引水管明挖施工對區間隧道結構豎向位移擾動曲線

從圖4、圖5可以看出，沉井及附屬管道施工完成后，地鐵區間隧道結構最大豎向位移為5.93mm，發生在工況3，引水管明挖基坑開挖完成后，地鐵區間隧道產生的變形不滿足隧道結構豎向變形控制限值5mm要求。

5.5 引水管水平定向鉆牽引施工模型尺寸及邊界條件

采用MIDAS-GTS有限元軟件建立三維數值模型，計算采用的范圍為長150m、寬140m，高度方向（Z方向）取46m，區間盾構管片采用板單元模擬。模型上表面為自由約束、底部為固定約束、四周為法向約束，模型如圖6、圖7所示。

圖6 引水管水平定向鉆牽引施工數值三維模型

圖7 引水管水平定向鉆牽引施工沉井及附屬管道與某地鐵區間隧道空間位置關系

5.6 引水管水平定向鉆牽引施工計算結果分析

引水管水平定向鉆牽引施工計算步驟與施工工況如表5、表6所示。

表5 引水管水平定向鉆牽引施工計算步驟

表6 引水管水平定向鉆牽引施工工況

沉井及附屬管道施工期間2種工況下地鐵區間隧道結構豎向位移云圖如圖8所示，引起地鐵區間隧道結構變形結果如圖9所示。

圖8 引水管水平定向鉆牽引施工對某地鐵區間隧道結構豎向位移云圖

圖9 引水管水平定向鉆牽引施工對區間隧道結構豎向位移擾動曲線

從圖8、圖9可以看到，沉井及附屬管道施工完成后，地鐵區間隧道結構最大豎向位移為0.375mm，發生在工況2，引水管水平定向鉆施工完成后，滿足隧道結構豎向變形控制限值5mm要求。

由此結果確定一體化泵站采用沉井施工工藝，引水管、出水管均采用水平定向鉆頂進施工工藝。

6 結束語

文章以武漢某水環境應急治理工程沉井及附屬管道鄰近某地鐵區間隧道施工為例，分別從沉井施工過程控制、附屬管道施工工藝選取等角度，結合有限元數值模擬分析，得出了其對鄰近地鐵區間隧道結構變形產生影響的規律：采用沉井及附屬管道明挖施工工藝，地鐵區間隧道結構最大豎向位移為5.930mm，超過規范規定限值；而采用沉井及附屬管道水平定向鉆施工工藝，地鐵區間隧道結構最大豎向位移為0.375mm，隧道結構變形在可控范圍內，滿足相關規范限值要求。這說明沉井施工、水平定向鉆頂進等施工工藝可有效控制土體卸荷對地鐵區間隧道結構產生的不利影響，較明挖施工影響小，是較為合理的施工開挖工藝。