地鐵暗挖隧道密貼下穿污水箱涵變形特征研究

張麗麗， 張旭， 成鶴， 許有俊,3,4

(1.北京市政建設集團有限責任公司， 北京 100048； 2.內蒙古科技大學土木工程學院， 包頭 014010； 3.內蒙古科技大學礦山安全與地下工程院士工作站， 包頭 014010； 4.內蒙古科技大學內蒙古自治區高校城市地下工程技術研究中心， 包頭 014010)

近年來，隨著城市軌道交通的大規模建設，呼和浩特市也進入城市軌道交通發展的快車道。在城市密集區修建地鐵隧道時，傳統的施工需要中斷道路、管線遷改等措施，易引起城市交通堵塞、影響居民生活等問題。因此，采用暗挖法施工成為首要選擇。隨著城市地下交通網越來越密集，會出現近距離甚至密貼下穿既有地下管線或箱涵情況，其中市政箱涵的斷面尺寸較大，受到施工環境的影響最大，尤其是在箱涵中不確定污水流量時施工，極易產生過度的擾動，進而造成結構的損傷[1-2]。因此，暗挖隧道下穿施工必須采取合理的工法及預加固和保護措施,以降低工程風險及社會影響。

目前，中外學者針對暗挖隧道施工對鄰近地下管線的影響已經取得一定的成果。Liang等[3]將現有地下管道或隧道簡化為彈性無限歐拉—伯努利梁，提出了一種半解析方法。Zhang等[4]提出了一種云模型(cloud model，CM)的方法，其中包含隧道環境中現有管道的分步風險評估過程，基于隧道誘發管道破壞機理分析，建立了多層次、多屬性的評價指標體系。Wang等[5]進行了室內模型試驗，研究了漏水情況下隧道施工對現有管道的影響，并建立了管道位移與地表沉降的關系。Huang等[6]基于Winkler模型提出了一種基于改進Winkler模量的Winkler解，分析隧道開挖引起的管道的變形規律，并與現場試驗和離心試驗結果進行比較，驗證了該方法的適用性。張學進[7]依托杭州市紫之隧道下穿地下管線工程，研究在淤泥質地層中間距、穿越夾角等因素對管線變形的影響。向衛國等[8]針對不同埋深的地下管線進行三維數值模擬，分析了地表與管線沉降槽曲線的關系，確定了管線沉降分布擬合公式。王婉婷等[9]依托北京地鐵8號線盾構區間隧道下穿地下熱力管線和污水管線工程，計算得到了土層以及管線的變形規律。陳懷慶[10]以沈陽地鐵青年大街站近距離下穿污水管線工程為依托，提出了管線懸吊、控制施工沉降、超前地層加固等保護技術。王春梅等[11]將地下管線視為連續長梁，得到了隧道下穿引起地下管線豎向位移計算式。吳為義等[12]基于彈性地基梁理論，分析深圳某地鐵盾構隧道下穿地下電纜管線的變形規律，得到彈性地基梁發可用于估算管線的最大變形。王正興等[13]利用室內管線加載-擾度試驗建立了管線宏觀與細觀參數之間的關系，并采用PFC2D建立隧道-土體-管線的模型，得到了砂土中隧道垂直下穿地下管線的變形規律。目前，關于暗挖隧道下穿地下管線的研究多集中在盾構法下穿圓形斷面的地下管線，而針對淺埋暗挖隧道下穿矩形斷面箱涵的研究較少，尤其是關于污水箱涵的研究，大多沒有考慮污水箱涵內部的污水重度，并且在污水流量不同的情況下，暗挖隧道下穿施工期間箱涵結構變形的規律仍不明確。

為此，以呼和浩特市地鐵2號線大學西街站1號出入口暗挖隧道為背景，采用Midas GTS NX模擬分析不同污水流量條件暗挖隧道下穿施工引起的既有市政箱涵結構變形規律，并通過現場監測研究現場沉降控制方案的可行性，采用Peck公式分析箱涵橫斷面沉降槽曲線規律，確定在暗挖隧道下穿施工時箱涵結構變形主要影響區域范圍。研究成果可為呼和浩特市地鐵暗挖隧道下穿管線工程提供經驗借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

呼和浩特市地鐵大學西街站位于大學西街與錫林郭勒南路的交叉路口，沿錫林郭勒南路東南向西北方布置。大學西街站地鐵車站總長218.2 m，包括車站主體結構、4個出入口通道(其中2個暗挖通道)以及2個風道，其中1號出入口為地下單層框架結構型式，分為明挖基坑和暗挖隧道，暗挖段采用淺埋暗挖法施工，總長為23.15 m，分為標準段和擴大段，如圖1所示。

斷面A-A為暗挖隧道與地鐵車站接觸面圖1 工程平面及縱斷面圖Fig.1 Plan view and profile diagram of project

標準段為僅滿足正常通行需求的隧道段，擴大段除滿足通行需求外還應滿足戰時功能的要求的隧道段，因此擴大段斷面面積一般大于標準段。本工程的標準段隧道開挖寬度為7.26 m，開挖高度為5.4 m；擴大段開挖寬度為9.26 m，開挖高度為5.7 m，如圖2所示。暗挖隧道頂部覆土厚度為3.76～4.16 m。

圖2 擴大段隧道橫斷面Fig.2 Cross-section of the larger tunnel

本工程的地下施工范圍內，存在10余條地下管線，其中市政箱涵風險最高。市政箱涵由鋼筋混凝土材料制成，屬于兩孔箱涵結構，由電力箱涵與污水箱涵相連組成。箱涵的單孔內徑均為高2.0 m，寬1.8 m，外包設計尺寸為高2.5 m，寬4.35 m。箱涵與標準段隧道的垂直距離僅為0.276 m。

1.2 工程地質條件

暗挖段所在區域屬于山前沖洪積扇傾斜平原區，地下水以第四系潛水為主，地下水位高程介于1 040.30～1 042.83 m，含水層厚度10～14 m，總體流向為從東北流向西南。1號出入口暗挖段開挖部分主要為細砂和圓礫層，基底位于礫砂層。土體結構松散，自穩能力差，遇水易軟化。典型地質剖面如圖3所示。

某些部位同時標記出距離地表的距離和高程，兩者之間采用“/”，如“2.40/1 046.90”表示該部位距離地表距離為2.40 m，高程為1 046.90 m圖3 典型地質剖面圖Fig.3 Typical geological profile of the project

1.3 施工方案

由于施工區內地下水位高于結構底板，水量豐富。因此需要在施工之前進行降水作業。施工區域為城市主干道，地面交通量較大，且地下管線錯綜復雜，傳統的井點降水無法實施，故施工前期采用洞內真空降水的方式，使開挖面處于無水狀態。在降水之后，暗挖隧道采用深孔注漿和超前小導管注漿相結合的方式形成完整的堵水帷幕以及土體注漿加固區，在加固隧道軟弱地層后進行開挖施工。深孔注漿范圍為隧道開挖面周圍3 m，每次注漿長度為10 m，第三次注漿的注漿管角度因為上方既有管線的存在調整為10°，如圖4所示。

圖4 深孔注漿示意圖Fig.4 Diagram of the deep hole grouting

采用超前小導管注漿加固時，當隧道上方沒有箱涵時，采用長度2 m的小導管，外插角度為25°；反之，采用長度1.5 m的小導管，外插角為15°。暗挖隧道采用交叉中隔壁法(center cross diagram，CRD)，如圖2所示。為了減少土體的暴露時間，1、3號導洞施工時，均采用臺階法開挖；2、4號導洞采用全斷面法開挖。臺階法開挖1，3導洞時，采用環形開挖，預留核心土的方案，每個導洞上、下臺階的開挖步長小于3 m。在上臺階開挖完成后，立即掛鋼筋網，架立拱部、側墻、中隔墻格柵鋼架，打設鎖腳錨桿，噴射混凝土。開挖預留核心土體的部分，施做臨時仰拱，使隧道盡快封閉成環。隧道左半部分的1、2號導洞沿著開挖方向的步距間隔10 m，隧道左半部分的各導洞開挖貫通后，在進行隧道的右半部分導洞施工開挖。拆除所有臨時支護后，敷設防水層，然后施作二襯。暗挖隧道復合式襯砌由初期支護、防水板和二次襯砌組成。在隧道施工期間，在拱部以及邊墻布置注漿管，要多次進行回填注漿，填充初支與周圍土體之間的空隙。

1.4 監測方案

暗挖隧道在施工期間會對市政箱涵結構進行擾動，需要在施工期間對暗挖隧道和市政箱涵進行全天候實時測量，根據實際情況，及時調整現場支護以及加固方案。通過人工監測記錄隧道和箱涵變形情況，如圖5所示。在箱涵外壁以及隧道初支鋼格柵安裝監測點，對箱涵進行了位移監測以及監測隧道的拱頂沉降值和凈空收斂值。監測采用精密水準儀和測距儀，讀數每天采集兩次。既有箱涵的監測點用B表示，每個監測點的距離間隔為3～5 m。根據文獻[14]，日本淺埋隧道鄰近管道施工的相關規范中指出，隧道施工時污水管線的沉降控制值為20 mm。市政箱涵豎向位移的正、負值分別代表隆起和沉降。

B1～B5為箱涵監測點編號圖5 測點布置圖Fig.5 Layout of the monitoring points

2 箱涵變形預測

2.1 模型建立

圖6 三維數值模型Fig.6 Three-dimensional numerical model

應用MIDAS GTS NX進行三維建模分析，建立計算模型長、寬、高分別為50 m×50 m×35 m，共包含145 600個節點和130 000個單元，如圖6所示。模型除地表為自由面外，模型前后左右采用法向約束，底部采用固定約束。與摩爾-庫侖本構型相比，采用修正摩爾-庫侖本構模型，可以考慮土體的壓縮硬化和剪切硬化行為，更好的模擬土體卸荷作用[14]。綜合考慮地勘報告資料，將地層簡化為成層分布，確定各土層的力學參數，如表1所示。

本次模擬重點研究既有結構的整體變形特征，不考慮細部接頭問題。土體、注漿區以及二次襯砌均采用實體單元，初期支護，中隔壁以及箱涵管壁均為板單元。根據《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2016)[15]、現場勘測資料確定隧道初期支護、二次襯砌和箱涵結構的力學參數。注漿加固區通過改變地層屬性的方法來實現[16]。參考相似的北京地區暗挖隧道工程案例[17-18]確定注漿加固區的地層參數。模型參數如表2所示。

表1 圍巖力學參數Table 1 Mechanical properties of surrounding rock

表2 模型計算參數Table 2 Numerical parameters of the model

2.2 數值模擬方案

暗挖隧道采用CRD法開挖，具體施工步序按照現場實際施工過程：先對開挖面進行降水處理，再進行超前支護措施，1號、2號導洞開挖進尺為10 m，在隧道左半部分的導洞全部封閉成環后在開挖3號、4號導洞。所有導洞開挖且支護完成后，施作二次襯砌。開挖面降水時，設定整體地下水位處于恒定狀態，只在地下水位處設置總水頭的邊界條件，在開挖面周圍設置壓力水頭位0的邊界條件，模擬施工降水過程。

老砍頭到了寢宮，太監、宮女早被打發走了，沒進大門呢，老砍頭就聽見皇上在自言自語：“我也想通了，實在不行，我就投降，能封個安樂公，就心滿意足了。”

污水箱涵內的污水荷載通過均布荷載代替，通過查閱參考文獻，可知半年內呼和浩特市不同區域內城市污水中主要污染物約為0.716 mg/L[19]，確定城市污水重度大約等同于水的重度為10 kN/m3。考慮到污水箱涵內的污水量不是恒定的，會因人為等因素發生改變，不同流量下結構受力也不相同。因此將污水流量等效為不同均布荷載，研究不同污水荷載下隧道施工對箱涵結構變形的影響。共設計5組數值模擬計算，具體模擬方案如表3所示。

表3 數值方案Table 3 Numerical schemes

2.3 數值結果分析

為了研究新建暗挖隧道施工時不同污水荷載下箱涵結構變形特征，通過只改變箱涵中的污水流量進行數值模擬。從箱涵的頂板(1～5號測線)、側壁(6～8號測線)以及底板(9～13號測線)共布置13條測線，箱涵具體測線布置如圖7所示。

圖7 箱涵測線布置Fig.7 Layout of monitoring lines on the box culvert

對比不同工況下箱涵的沉降值得到，其余工況的箱涵的沉降值均在P=0和P=25 kN/m2(P為污水載荷)，且變化規律基本相同，因此只繪制P=0和P=25 kN/m2兩組工況的豎向位移云圖進行比較，如圖8所示。

暗挖隧道開挖完成后，箱涵的最大沉降區域集中在暗挖隧道軸線正上方，箱涵沉降分布呈現由中心向兩端遞減的規律。在箱涵內沒有污水流動時，施工擾動使得箱涵左側的污水箱涵和右側的電力箱涵產生輕微的不均勻沉降，施工先穿越的污水箱涵沉降值大于后穿越的電力箱涵；隨著污水量的增加，箱涵的左側洞室沉降值大于右側洞室的現象更加明顯，箱涵的頂板、側壁以及底板與無污水狀態下箱涵的沉降變形規律基本相同，但沉降值逐漸增加。

9號測線的豎向位移最大，不同污水荷載條件下9號測線的豎向位移，如圖9所示。不同污水流量的箱涵沉降曲線規律基本相同，近似呈正態分布。當污水荷載P=0時，由于下部暗挖隧道的施工擾動，箱涵的中心區域出現沉降，但在兩側區域施工擾動較小，且在兩側存在注漿加固區，因此兩側出現輕微隆起現象。箱涵中污水流量的變化對箱涵沉降有顯著影響。隨著污水荷載的增加，曲線呈現整體沉降現象箱涵的最大沉降值逐漸增大，從14.98 mm增加到26.32 mm，增加了11.34 mm。不同工況的沉降最大值均靠近隧道的左半部分導洞的中心處。沉降槽的拐點位置大致相同，距離隧道中軸線7～10 m。

污水荷載P與箱涵的最大沉降值Smax呈線性關系，校正決定系數R2為0.99，如圖10所示。污水箱涵內的污水量最小為無污水狀態，最大為滿管狀態。因此，可以確定污水荷載的最大和最小值，0≤P≤25 kN/m2。通過擬合公式可知，當箱涵最大沉降值為20 mm時，污水荷載應為9.18 kN/m2，對應箱涵內的污水高度應為0.745 m。因此當箱涵內污水高度小于0.745 m時，能確保在隧道施工時箱涵沉降在控制值范圍之內。

圖8 箱涵豎向位移Fig.8 Vertical displacement nephogram of the box culvert

圖9 箱涵9號測線豎向位移Fig.9 Vertical displacement of monitoring line 9 on the box culvert

圖10 P和Smax的關系曲線Fig.10 Curve of the relationship between P and Smax

3 箱涵變形規律分析

3.1 箱涵變形實測分析

暗挖隧道下穿既有箱涵的過程中，市政箱涵的各監測點位移變化曲線如圖11所示。

階段1～階段4表示導洞1～4分別開挖到貫通的全過程；階段5 表示二次襯砌封閉成環；階段6表示拆除隧道中隔壁的過程圖11 箱涵沉降歷時曲線Fig.11 Development of the settlement of the box culvert

受隧道施工影響最大的監測點為位于1號導洞正上方的B2和B3，其余監測點受影響相對較小。2020年3月13日—2020年4月1日，1號導洞開挖至7 m，市政箱涵沉降值變化較小，此時段降水以及開挖施工由于距離箱涵較遠對箱涵影響較小。隨著隧道繼續降水開挖，箱涵開始迅速沉降，B3發生最大沉降約為16.86 mm，可以判斷出在離箱涵的縱向間距約13 m范圍內進行降水以及開挖施工對箱涵擾動較大，階段1內的沉降值約為總沉降值的70%～75%，是沉降的主要階段。到2020年4月13號1號導洞開挖至18 m，即將穿越箱涵。2020年4月25日開挖至23.15 m，1號導洞貫通。施工12 d，共挖5.15 m。此階段施工速度緩慢可以使支護及時封閉成環，并通過多次回填注漿，箱涵發生位移抬升現象。3號導洞施工之前的降水措施和2號導洞開挖施工的擾動，導致該段又出現沉降趨勢，隨著2號導洞的整體初期支護封閉成環，曲線再次出現局部抬升現象。2020年5月3日3號導洞開挖至8 m，進入降水以及開挖施工對箱涵擾動較大的區域內，因此引起市政箱涵明顯沉降。階段2，3內的沉降值約為總沉降值的5%～10%。4號導洞于2020年5月13日開挖，2020年5月27日終止，箱涵沉降發生輕微變化。階段4內的沉降值約為總沉降值的5%～10%，2020年5月27號開始逐漸拆除了中隔壁以及臨時仰拱，市政箱涵出現輕微波動。2020年6月4號暗挖隧道二次襯砌整體閉合后，隧道處于穩定狀態，最終沉降值為19.57 mm。

圖12 不同施工階段的箱涵沉降槽曲線Fig.12 Settlement profiles of the box culvert associated with construction phases

根據《室外排水設計規范》(GB 50014—2006)[20]規定，污水管道因按照非滿管設計，管內水最大容許充滿度為0.55，通過計算確定本工程所提的市政箱涵的最大管內水高度應為1.375 m。在隧道施工期間，箱涵內污水流量無特殊情況時，按照規范可預測得：0≤h<1.375 m(h為管內污水高度)。目前通過實測數據可得箱涵的最大沉降值為19.88 mm，通過數值模擬可知實測值位于數值模擬第一、三組工況的沉降值之間，如圖13所示。

圖13 數值模擬與實測沉降值的對比Fig.13 Comparison between the numerical results and monitoring datum

根據圖13可知，在施工結束后，當污水荷載為0時，箱涵結構的最大沉降值為18.84 mm；當污水荷載為12.5 kN/m2，即污水流量達到箱涵管徑1/2高度時，箱涵的最大沉降值為21.33 mm。實測數據中箱涵的最大沉降值為19.88 mm，位于二者之間，因此可以推斷出，實際施工時污水流量的高度在箱涵管徑的1/2高度以下。管內污水高度在預測變形區范圍內，箱涵可以同時滿足排水設計規范和施工沉降值控制要求。

3.2 箱涵變形特征分析

從箱涵橫斷面沉降槽分布規律服從高斯分布。通過Peck公式預測隧道上方既有結構沉降槽曲線[21]被普遍接受。按照疊加法原理，雙洞平行隧道開挖引起的管線沉降曲線預測公式為[21]

(1)

式(1)中：S為管道的最終位移；S1和S2分別為隧道的左半部分、右半部分引起的最大位移，下標數字1和2分別為開挖的左半部分(導洞1和2)和右半部分(導洞3和4)；x為隧道兩側橫向上距離隧道中心的距離；L為隧道左半部分中心到右半部分中心的間距；A1和A2分別為隧道左半部分以及右半部分導洞開挖部分的橫截面積；V1和V2分別為隧道左半部分以及右半部分導洞開挖引起的地層損失率；i1和i2分別為隧道左半部分以及右半部分的中心線到曲線拐點的間距(沉降槽寬度)，可以通過經驗公式[22]確定。

i=K(z0-z)

(2)

式(2)中：i為隧道左半部分或者右半部分的中心線到曲線拐點的間距；z0為新建暗挖隧道軸線的深度；z為指定埋深；K為既有市政箱涵沉降槽寬度系數。

導洞1～4依次開挖引起市政箱涵的沉降槽曲線擬合結果如表4和圖14所示。將1、2號導洞看作暗挖隧道的左半部分，對階段2即由隧道左半部分導洞施工引起的箱涵橫向沉降槽曲線采用單Peck公式進行擬合，得到隧道左半部分導洞施工貫通時箱涵的擬合沉降槽位移曲線。在4號導洞開挖完成后，將3、4號導洞看作暗挖隧道的右半部分，對階段4即由隧道的左半部分導洞和右半部分導洞施工引起的疊加而成的箱涵橫向沉降槽曲線進行雙Peck公式進行擬合，得到隧道全部導洞貫通時箱涵的擬合沉降槽位移曲線。對階段2、4的擬合結果如圖14所示。校正決定系數[22]均超過0.9，表明實測值較好地吻合Peck公式。

表4 箱涵的沉降槽擬合結果Table 4 Fitting of settlement profiles of the box culvert

圖14 箱涵沉降槽曲線擬合Fig.14 Fitting of the settlement profile of the box culvert

階段2、階段4的地層損失率范圍為0.08%～0.15%，說明本項目的施工管理以及施工方案較好，地層損失率處于較低水平。韓煊等[23]建議西北黃土地區天然地層K值取0.22%～6.9%，由于箱涵的“遮擋”效應[7]，箱涵的單個隧道開挖引起現有結構的主要影響范圍可以由2i1表示，總的槽寬為5i1，雙洞隧道開挖的主要影響范圍為i1+L+i2[24]。2號導洞貫通時，箱涵主要影響區范圍通過2i1計算，為9.86 m；4號導洞貫通時，箱涵的主要影響區范圍通過i1+L+i2計算，為16.85 m。相比階段2，階段4的最大沉降值向隧道中心線處偏移，這是由于隧道的左半部分導洞已經封閉成環，而隧道的右半部分導洞施工引起的。暗挖隧道施工時箱涵的沉降槽寬度取值范圍為6.32～6.9 m，數值模擬中箱涵主要沉降區位于箱涵中心左右約隧道直徑的1～1.5倍范圍內，這主要是因為隧道施工期間，無法對箱涵下方的土壤回填灌漿造成的。

4 結論

(1)污水荷載的變化對既有箱涵結構沉降影響較大，箱涵內充滿污水時最大沉降值是箱涵內沒有污水時的1.75倍。在不同污水荷載下，箱涵結構的最大沉降均位于導洞1的正上方處，由此處向兩端遞減。

(2)箱涵內污水荷載與箱涵結構沉降近似線性關系，當污水高度處于在箱涵管徑的0.754 m高度(即污水荷載應為9.18 kN/m2)以下時，在現場施工的條件下既有箱涵結構沉降能夠滿足在控制標準范圍內。

(3)在距離箱涵的間距約13 m范圍內進行降水以及開挖施工對箱涵擾動較大，最大沉降值為16.86 mm，占總沉降值的70%～75%。采用疊加法修正Peck公式能夠描述下穿段箱涵結構沉降曲線，沉降曲線最終呈“U”形。

(4)在施作隧道二次襯砌期間，通過及時封閉支護體系以及回填注漿等措施，使箱涵的最終沉降量為19.57 mm，小于變形控制標準，現場所采用的施工方案能夠有效保證箱涵結構安全。