地下通道暗挖施工對上部既有管線的影響研究

馮興法 向 昭

（1.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶 400042；2.中煤科工重慶設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，重慶 400042）

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口的迅速增多，環(huán)境與交通問題向人們提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在城市的主要街道上橫穿道路修建地下過街通道是改善城市的交通狀況、方便行人、減少交通事故的有效途徑之一。修建地下過街通道，工程量小，施工工期短，可以較快投入使用［1］。近年來，在各大城市修建了很多地下過街通道，已經(jīng)取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，同時也積累了寶貴的施工經(jīng)驗。地下過街通道的施工方法主要有明挖法、蓋挖法和暗挖法等。其中由于暗挖施工可保證修建過程中不中斷交通，所以它成為修建城市地下過街通道首選的一種施工方法。本文對應(yīng)用暗挖法成功修建地下過街通道的實例進(jìn)行分析介紹，為類似工程中既有管線安全評估提供參考。

1 理論計算模型

本文主要研究暗挖工程與既有管線垂直相交時對既有管線的影響。地下工程暗挖施工過程中，將其上部的既有管線受力區(qū)域劃分為CD段開挖區(qū)域，BC、DE段開挖引起的土體松動段，AB、EF段為開挖未影響區(qū)域，如圖1所示。埋地管道所受到的最大荷載主要來自于其上部土體重力，對埋地管道豎向土壓力的計算用的是太沙基筒倉計算模型。其指出土體顆粒相互錯動產(chǎn)生應(yīng)力傳遞，使得周圍土體對下移土體產(chǎn)生一定的制約作用，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)承受的豎向土壓力小于土柱重力［2-3］。既有頂管未受開挖影響的AB、EF段均布荷載q1即可使用太沙基土壓力計算模型進(jìn)行計算；而開挖段及開挖影響段上方的土體受到施工擾動影響，土體力學(xué)性能降低，對下移部分的挾制能力降低，導(dǎo)致地下管線承受的土壓力增加，理論模型中假設(shè)開挖段CD上部管線承受的土壓力為q3，開挖影響段BC、DE上部管線承受的土壓力為q2。

圖1 暗挖影響下既有管道受力示意圖

據(jù)圖可得各段撓曲微分方程為：

式中：

EI——既有管線的抗彎剛度，N?m2；

ωi——既有管線各段的撓度，m，i=1，2，3；

x——既有管線右半段各點與O點的距離，m；

ki——既有管線下部各段地層的基床系數(shù)，N/m3，i=1，2，3；

qi——既有管線各段承受的土壓力，Pa，i=1，2，3；

b——地基反力計算寬度，m。

根據(jù)地基反力計算寬度得到柔度特征值:

其中i=1，2，3。

則可得到各段撓曲微分方程的通解以及各段通解的一階、二階、三階求導(dǎo)為:

若已知梁撓度，可得梁任意截面的轉(zhuǎn)角，彎矩，剪力可用式（6）表示：

式中：

θ——既有管線的轉(zhuǎn)角；

M——既有管線的彎矩，N?m；

Q——既有管線的剪力，N。

實際施工情況下，管線長度較大，由于管周土體對既有管線的約束，管線下方的開挖對既有管線影響范圍是有限的，在與開挖范圍較遠(yuǎn)距離的端部（x→∞），可假設(shè)邊界條件為固支。因此，可得到如下邊界條件及變形協(xié)調(diào)條件：

A點（x→∞）為固定端：

O點為對稱點：

根據(jù)B、C兩點左右兩端撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩及剪力的協(xié)調(diào)關(guān)系，可得如下補(bǔ)充條件：

B點：

C點：

把公式（7）~（10）代入公式（5）中，可得到一個12個方程的方程組，12個未知數(shù)。通過MATLAB編程，得到各待定系數(shù)Ai、Bi、Ci、Di的解析解，再分別代入（7）~（10）中，即可得出BC 段開挖時，既有管線AE 中各點產(chǎn)生的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力，選取合適的判斷標(biāo)準(zhǔn)，即可評估既有管線的安全性。

2 理論計算相關(guān)參數(shù)的確定

2.1 既有管道上垂直土壓力計算

本文選用太沙基筒倉計算模型對未受開挖影響的既有管線豎向土壓力q1進(jìn)行計算。開挖段及開挖影響段上方的土體受到施工擾動影響，土體力學(xué)性能降低，對下移部分的挾制能力降低，導(dǎo)致地下管線承受的土壓力增加［4-5］，基于簡化計算以及偏于安全的考慮，本文采用土柱理論計算開挖段及開挖影響段上方既有頂管上覆土壓力q2和q3。

2.2 暗挖施工影響段長度確定

隧道開挖引起的土體松動區(qū)域，假設(shè)土體松動線與開挖部分的底面水平線夾角為(45°-φ/2)，如圖2，則可計算出松動段的長度為：

圖2 松動段長度計算示意圖

式中：

a——開挖影響段長度，m；

H——開挖區(qū)域頂部與既有管線的距離，m；

h——開挖區(qū)域的高度，m；

φ——土體的內(nèi)摩擦角，°。

如圖2所示，根據(jù)體應(yīng)變將隧道開挖擾動分為三個區(qū)域，體應(yīng)變大于3%為A區(qū)，體應(yīng)變1%~3%為B區(qū)，體應(yīng)變小于1%為C區(qū)。各區(qū)域變形模量改變幅度大于黏聚力和內(nèi)摩擦角改變幅度，內(nèi)摩擦角整體改變最小。A區(qū)各不同點變形模量降低37%~91.7%，黏聚力降低31.4%~63.7%，內(nèi)摩擦角降低3.6%~12.3%；B區(qū)各不同點變形模量降低8.1%~24.1%，黏聚力降低2.5%~23.1%，內(nèi)摩擦角降低1.1%~2.3%。

2.3 施工擾動影響下基床系數(shù)的確定

本文建立的理論模型中，基床系數(shù)為最重要的參數(shù)。地下通道暗挖施工，對既有管線周圍的地層產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致基床系數(shù)產(chǎn)生變化。在具體工程中，宜通過室內(nèi)外試驗確定原狀土和施工擾動土基床系數(shù)［5］。基于既有文獻(xiàn)，對暗挖區(qū)域上方（既有管線下方）地層進(jìn)行暗挖擾動分區(qū)，見圖3。然后對各區(qū)域土體的平均變形模量、平均黏聚力以及平均內(nèi)摩擦角等進(jìn)行預(yù)估，根據(jù)常見力學(xué)參數(shù)的預(yù)估值計算施工擾動影響下的基床系數(shù)。

圖3 隧道開挖擾動分區(qū)示意圖

施工擾動下的基床系數(shù)根據(jù)變形模量和泊松比預(yù)估值進(jìn)行計算。本文選擇該方法進(jìn)行施工擾動下基床系數(shù)的計算，公式如下：

式中：

Esi——既有管線下部各段土體的變形模量，Pa；

υi——既有管線下部各段土體的泊松比；

泊松比可根據(jù)各段土體的側(cè)壓力系數(shù)k0i計算得到：

側(cè)壓力系數(shù)可由三軸剪力儀或側(cè)壓儀測量，由經(jīng)驗公式確定：

3 案例計算與分析

武漢卓刀泉地下人行通道，埋深3m，凈寬8m，凈高3.55m。地下通道上覆土主要為粉質(zhì)黏土，黏聚力為15kPa，內(nèi)摩擦角為12°，重度為19.3kN/m3，基床系數(shù)為1.4×104kN/m3。地下通道上方有一DN100鑄鐵管，管道外徑114mm，埋深1.5m。按本文方法通過對基床系數(shù)多次取值試算，得出開挖段和開挖影響段不同基床系數(shù)取值下既有管線沉降槽,與現(xiàn)場實測沉降槽對比情況如圖4所示。

圖4 基床系數(shù)計算沉降量與實測值對比

分析得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)開挖段基床系數(shù)取值為原始基床系數(shù)10%，開挖影響段基床系數(shù)取值為原始基床系數(shù)30%時，計算沉降曲線與實測沉降曲線吻合最好（圖中計算值1與實測值代表的曲線）。具體表現(xiàn)為：①最大沉降量均發(fā)生在暗挖斷面的中點位置，計算值稍大于實測值；②計算與實測的沉降槽左右兩側(cè)的寬度均為12m左右；③各測點的實測數(shù)據(jù)與計算值相差均較小，特別是沉降極大的區(qū)域，計算值均稍大于實測值，符合預(yù)測值宜偏于安全的工程要求。④兩條曲線存在的差異為：在距離暗挖斷面中點6~9m區(qū)間內(nèi)，計算沉降有輕微的增加趨勢，而實測值持續(xù)呈減小趨勢。分析其具體原因如下：開挖影響段基床系數(shù)取值為原始基床系數(shù)的30%，但在實際工程中，開挖影響段的基床系數(shù)不是某一定量，距離開挖段近的部分受到擾動更大，基床系數(shù)更小，而距離遠(yuǎn)的部分，基床系數(shù)更大。基床系數(shù)取值越大，則計算沉降量越小。計算沉降槽與實測沉降槽曲線的差異，表明距離開挖段近的開挖影響段前半段的基床系數(shù)取值（0.3k1）偏大，導(dǎo)致前半段計算沉降量偏小。

（2）多次試算結(jié)果表明，開挖段的基床系數(shù)是計算中最關(guān)鍵的取值參數(shù)，直接影響最大沉降量及沉降極大區(qū)域（距離暗挖斷面中點0~3m區(qū)間）的沉降計算結(jié)果。本案例中，開挖段基床系數(shù)比適用值（0.1k1）小25%時，計算最大沉降值增加35%，開挖段基床系數(shù)比適用值（0.1k1）大25%時，計算最大沉降值增加20%。由此可見，該參數(shù)的取值對計算結(jié)果影響很大，直接關(guān)系到預(yù)測評估的準(zhǔn)確性。因此，在有條件的情況下，盡量使用室內(nèi)外試驗確定開挖段基床系數(shù)。

（3）多次試算結(jié)果表明，開挖影響段的基床系數(shù)對最大沉降量幾乎無影響，對沉降極大區(qū)域（距離暗挖斷面中點0~3m區(qū)間）的沉降計算結(jié)果影響較小，對沉降次大區(qū)域（距離暗挖斷面中點3~9m區(qū)間）的沉降計算結(jié)果影響相對較大。以本案例為例，若開挖段基床系數(shù)取值準(zhǔn)確，開挖影響段的基床系數(shù)取值（相對于0.3k1）增加或降低30%，最大沉降量及沉降極大區(qū)域計算值差距較小，且均偏于安全，沉降次大區(qū)域計算值差距相對較大，但計算值絕對差值均小于2.5mm。總體而言，該參數(shù)適宜的取值區(qū)間相對較大，取值偏差在30%范圍內(nèi)，對管線沉降值計算結(jié)果影響較小。

4 結(jié)束語

地下暗挖工程下穿既有管線施工過程中，管線下方地層受到不同程度的擾動，基床系數(shù)存在較大差異。基于Winkler彈性地基梁理論，考慮既有管線下方各區(qū)域土體基床系數(shù)的差異，建立了暗挖施工對上部既有管線影響的理論計算模型，提出了施工擾動影響下的基床系數(shù)等相關(guān)參數(shù)的取值方法。使用理論模型對暗挖影響下既有管線沉降量進(jìn)行了計算，并與實測沉降量進(jìn)行了對比。計算結(jié)果表明，開挖段的基床系數(shù)是計算中最關(guān)鍵的取值參數(shù)，其取值對計算結(jié)果影響很大；開挖影響段的基床系數(shù)，適宜的取值區(qū)間相對較大，對計算結(jié)果影響較小；各段基床系數(shù)取值適當(dāng)時，計算沉降曲線與實測沉降曲線吻合良好。