地鐵隧道下穿輸水管道變形控制標準研究

梁 涵

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

引言

隨著社會的快速發展，城市的交通擁堵現象日益明顯，而地鐵以其低碳安全、準時快捷、乘客量大、能源消耗低等優勢，被廣泛認為是緩解交通壓力的有效方法。面對新一輪建設規劃的批復，越來越多的地鐵線路投入到建設中，周邊環境越來越復雜，各類難題也不斷出現。盾構施工會對地層產生擾動，地層位移會對密布的城市地下管線形成較大威脅，很多學者對此做了大量工作[1-3]，取得了一定的成果，采用的方法有經驗公式、模型試驗、下穿實測、數值計算等，吳波[4]等通過模型試驗，建立了隧道結構-土體-地下管線耦合作用的三維有限元分析模型，賈瑞華[5]借助ABAQUS 用位移加載法模擬隧道開挖對管線的影響，彭基敏[6]等利用ANSYS 探討了盾構推力、注漿程度等因素的影響。但已有研究大多為管線下穿和平行，對大直徑、小角度下穿的隧洞結構管道情況鮮有涉及。作為2 號線二期周邊重大風險，輸水管道承載著市內70%的生活用水，管道安全關乎全市政治、經濟、民生和社會穩定大局，保護好管道安全運行意義重大。

1 工程背景

1.1 工程概況

擬建地鐵區間左線長1 597.225 m，右線長1 593.704 m，線間距5～16.0 m，區間含有三處平曲線，最小曲線半徑為600 m，線路含一處豎曲線，最大縱坡22.946‰。區間由盾構井始發，由南向北掘進至680 m 處開始斜下穿三根輸水管道，夾角為29°，隧道結構與管底最小距離為7.85 m。關系圖見圖1。

圖1 區間與輸水管道平面關系

1.2 工程水文地質概況

下穿管線處地層自上而下依次為1-2 素填土、3-1-1 新黃土、3-2 古土壤、4-1-1 老黃土、4-2-1 古土壤、4-1-2 老黃土層，地下水埋深約38.8 m，位于輸水管下方約17.3 m，隧道范圍內各土層修正后圍巖分級為Ⅵ級，巖土施工工程分級為Ⅲ級。

1.3 下穿處輸水管現狀情況

區間盾構隧道斜下穿三根輸水管道（兩根Ⅰ期，1根Ⅱ期），夾角為29°，輸水管道為混凝土馬蹄形斷面，壁厚0.3 m，Ⅰ期內凈空寬和高均為2.7 m，Ⅱ期內凈空寬和高均為2.5 m。混凝土采用C20，礦山法施工。輸水管信息詳見表1。

表1 輸水管隧洞結構尺寸及工程材料

2 變形控制標準研究

2.1 輸水管道變形承受能力分析

為了評估管道一期隧洞不均勻變形的承受能力，在數值計算中通過減弱土層剛度，根據隧洞結構的最大拉應力達到極限值時的變形狀態來反算最大沉降。考慮一期少陵塬隧洞建成通水時間較長，且為素混凝土結構，砼標號為C20，結構抗拉強度設計值取C20的75%，即1.10×0.75=0.825 N/mm2=825 KPa。

本節采用SAP84 有限元分析軟件，反算輸水管結構變形承受能力。計算考慮模型邊界效應，主要以輸水管道結構的壓應力及差異沉降為分析對象，輸水管道的應力位移云圖及豎向位移云圖見圖2、圖3。

圖2 管道一期隧洞反最大應力極限值云圖

圖3 管道一期隧洞反算最大應力極限值所對應沉降云圖

由以上計算結果圖可知，盾構區間下穿輸水管，當輸水管結構拉應力接近臨界值825 KPa（位于拱底位置，813 KPa）時，隧道差異沉降值為（12.4-2.2）/15 000=0.068%。

2.2 輸水管道變形控制值

周邊環境的變形控制值應根據環境對象的類型與特點、結構形式、變形特征、已有變形、正常使用條件，并結合環境對象的重要性、易損性及相關單位的要求進行確定。對重要的、特殊的或風險等級較高的環境對象的變形控制值，應在現狀調查與檢測的基礎上，通過分析計算或專項評估確定。

根據前文所述，輸水管道隧洞風險等級為Ⅰ級，同時參考地鐵四號線盾構下穿輸水管道專項施工方案論證會專家意見及施工監測數據成果，本文初步擬定區間盾構下穿輸水管道一期隧洞引起的隧洞結構素混凝土段沉降累計控制值取8 mm，沉降變化速率控制值為1.8 mm/d，差異沉降控制值取0.2%；區間盾構下穿輸水管道二期隧洞引起的隧洞結構鋼筋混凝土段沉降累計控制值取為10 mm，沉降變化速率控制值為2 mm/d，差異沉降控制值取0.25%。

3 變形影響因素分析

大量的工程實踐經驗表明，盾構施工引起的主要變形發生在盾構通過階段，該階段變形一般占總變形量的60%以上，產生變形的主要原因是隨著掘進盾尾向前移動，導致管片與圍巖間形成間隙造成圍巖松動和下沉，所以，盾構施工時，注漿是關鍵，施工時要及時壁后注漿與填充。施工實踐證明，同步注漿對抑制地表下沉效果明顯。

同時區間盾構隧道下穿地層主要為古土壤及老黃土層，土質密實，無引起非正常地層損失的不利地質因素。結合全國地鐵工程施工經驗，并根據西安地鐵實踐情況，盾構施工過程中引起的地層損失可控。

4 變形計算

4.1 數值模擬

本節采用MIDAS NX 有限元分析軟件建立區間盾構隧道下穿輸水管道的三維有限元分析模型，模型尺寸：X、Y、Z 方向上長度分別約為250 m、150 m、60 m。邊界約束：底部約束X、Y、Z 方向位移，四周約束X、Z 方向位移，上表面為自由面。土體均采用實體單元模擬，輸水管道結構和盾構襯砌均采用板單元模擬。模型中輸水管道和盾構隧道的相對位置關系見圖4。

圖4 三維有限元分析模型

4.2 計算參數

模型共分9 個土層，各土層物理力學參數根據地勘報告取值，彈性模量一般取壓縮模量的3～5 倍，本次計算取5 倍。

4.3 計算方案與模擬工序

計算模擬中，盾構左、右線均采用分段的方式模擬，每一段長度為3 m，模擬工序為先掘進右線，待右線施工完后，再掘進左線。依次添加掘進壓力、注漿壓力、千斤頂力。

4.4 計算結果與分析

本次計算考慮模型邊界效應，主要以輸水隧洞結構的中心豎向沉降為分析對象。模擬正常掘進變形計算和變形控制值強度驗算兩種工況。輸水管道位移云圖見圖5、圖6。

圖5 輸水管道隧洞結構豎向位移云圖

圖6 輸水管道隧洞結構水平位移云圖

由以上計算結果圖表可知，盾構區間下穿輸水管，輸水隧洞結構的中心豎向沉降為3.5 mm，最大水平位移為1.6 mm。

由圖7 可知，輸水管隧洞襯砌在控制值變形情況下最大拉應力約為338 KPa（小于C20 混凝土軸心抗拉強度設計值825 KPa），位于襯砌拱底部位。隧道差異沉降值為（3.67-1.22）/15 000=0.016%。

圖7 隧洞結構在控制值變形情況下襯砌應力圖

5 結論

本文針對地鐵區間下穿大斷面輸水管道施工工法選擇、施工保護措施、管道變形控制標準等內容進行了研究，結合類似工程經驗、產權單位及專家意見，通過MIDAS NX 軟件對設計方案進行了數值模擬驗證，通過分析得出以下結論：

（1） 對于大斷面管道，應先根據運行情況等因素，通過折減，反算管道結構對不均勻變形的承受能力。

（2） 在變形承受能力的基礎上，重考慮管道的重要程度，制定合理的變形控制值。

（3） 通過模擬計算分析驗證。

綜上所述，從工程類比經驗來看，采用盾構施工工法對輸水管道的保護有成熟的經驗可以借鑒和參考，通過分析工程風險特點采取對應的措施，可以實現施工期間安全下穿及后期安全運營的目標。