明挖隧道對下伏管線安全性影響及保護措施研究

肖支飛XIAO Zhi-fei；王昱博WANG Yu-bo；王安民WANG An-min；白國權BAI Guo-quan

（云南省交通規劃設計研究院有限公司，昆明 650011）

0 引言

隨著我國城市交通建設的力度和規模不斷加大，近接工程的出現不可避免，鄰近工程的施工建設必然會引起既有工程結構應力狀態的改變，嚴重時甚至會造成人員傷亡及財產損失，地鐵明挖隧道近接既有地下管線[1]就是其中之一，國內外很多學者對其進行了大量的研究：仇文革[1]對近接工程進行了系統的研究，并提出了新建工程開挖影響線和包絡圖的概念。孫克國等[2]采用了數值分析、現場測試等手段研究了隧道與既有工程近接施工力學原理與對策；駱建軍[3-4]等就北京地鐵號線黃莊站施工對地下管線的影響進行了研究，并利用數值模擬預測了地下管線的安全性；吳波[5]依托具體工程，采用模型試驗、數值模擬、現場監測的手段研究對地鐵施工對臨近地下管線的影響，在此基礎上給出了管線安全的評價標準。

上述工作大多研究新建隧道近接地下管線的施工過程中管線的應力和變形的規律，而對于管線保護措施方面的研究則鮮有提及。近接施工過中，對下伏管線進行合理保護，是施工安全、高效的重要保證?；诖耍疚囊劳芯唧w工程，在分析地鐵明挖隧道施工對下伏管線安全性影響的基礎上，對管線提出了保護措施，并就保護效果展開研究。研究成果具有較強的現實意義，可為后續類似工程提供理論和技術支持。

1 工程概況

成都某地鐵明挖隧道穿越環港路，與環港路夾角約60°，如圖1 所示，環港路匝道下方分別埋設有直徑1.6m壁厚0.16m 的鋼筋混凝土污水管和直徑1.0m 壁厚0.1m的鋼筋混凝土給水管，管道頂部距匝道底部0.6m，管線與匝道并行，如圖2 所示。

圖1 工程空間位置關系

圖2 管線與匝道位置關系

該工程處于岷江水系Ⅱ級階地，根據鉆孔揭示，場地范圍內上覆第四系人工填土層；其下為第四系上更新統沖洪積粉質粘土、粘質粉土、卵石，卵石層頂局部含細砂，層中局部夾透鏡體中砂。場地內無地表水，存在三種類型的地下水：一種為賦存于第四系全新統人工填土與上更新統粘性土層孔隙、裂隙中的上層滯水，主要靠大氣降水及地表水下滲補給，僅局部分布，無統一的自由水面，水量較小，易于排除，對施工影響不大。

2 安全控制標準

2.1 變形控制標準

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB 50911-2013）規定，本文采取沉降累計值10mm。

2.2 應力控制標準

史玉新、高波等對管節應力控制標準進行了充分研究，認為當管節中的彎曲應力小于容許值時，管道可正常使用，否則，產生將斷裂或泄漏，并將管線安全系數取為5。本文管線安全系數取5，管線材料取C30 混凝土，相應容許拉應力為[σt]=0.402MPa，容許壓應力為[σc]=4.02MPa。即需滿足σt<[σt]和σc<[σc]。

3 管線安全性仿真分析

3.1 數值模型的建立

3.1.1 計算模型

考慮到框架段和地下管線的近接程度和影響范圍，確定近接處的分析模型，具體如圖3 所示，模型總長度60m、總寬度為300m，高度為55m，共劃分35 萬個單元。污水管直徑1.6m、壁厚0.16m；給水管直徑1.0m、壁厚0.1m，管道頂部距匝道底部0.6m，防護結構為砼結構。模型包含了巖土、地下管線、框架段、軌道板、下穿隧道、匝道、簡支梁承臺及橋樁。計算中土體采用Mohr-Coulomb 屈服準則，管線、明挖隧道采用彈性模型。邊界條件為：兩側面水平位移約束，正面及背面水平位移約束，底面豎向位移約束，頂面為自由面。

圖3 模型簡圖

3.1.2 計算參數

模型共6 層土體，從上至下依次為（1-2）人工填土、（3-2）粉質黏土、（3-3）粘質粉土、（3-2-1）粉質黏土、（3-5-2）稍密卵石、（3-5-3）中密卵石，地層的物理力學參數如表1 所示。

表1 物理力學參數

3.2 管線安全性分析

本小節主要分析在原始（管線未做任何保護）狀態下，地鐵試車線明挖隧道施工過程中管線的安全性。

3.2.1 應力分析

由圖4 可以看出，原始條件下給水管的最大主拉應力為0.85MPa，最大主壓應力1.42MPa；污水管的最大主拉應力為0.95MPa，最大主壓應力為1.52MPa，最大應力位置均位于管線與明挖隧道相交處。污水管所受最大主拉應力和最大主壓應力均大于給水管，這是由于污水管斷面尺寸大于給水管。兩根管線的最大主拉應力均大于許用拉應力[σt]=0.402MPa，最大主壓應力均小于許用壓應力[σc]=4.02MPa，說明管線極易發生受拉破壞，應采取相應的保護措施。

圖4 兩根管線主應力云圖（Pa）

3.2.2 變形分析

由圖5 可以看出，原始條件下的給水管最大沉降約為2.53mm，污水管最大沉降約為2.23mm，兩管最大沉降均發生在管線縱向15m 處；給水管和污水管的沉降曲線均大約在縱向10m 和40m 的地方出現反彎，說明兩根管線受影響的范圍大約在30m 左右。

圖5 兩根管線豎向變形曲線

4 管線保護措施研究

4.1 管線保護措施

為使管線處于安全狀態，現對管線提出三種保護措施，分別記為三種工況，如表2 所示。（圖6）

圖6 管線保護措施示意圖

表2 管線保護措施

4.2 保護效果分析

4.2.1 應力分析

由表3 可知，三種工況下污水管的最大拉、壓主應力均大于給水管。兩根管線的最大主拉應力和最大主壓應力均逐漸變小，其中，工況1 施作防護結構、未換填；工況2無防護結構、砂卵石換填；工況3 施作防護結構，砂卵石換填。3 種工況中，工況2 和工況3 條件下，兩管最大主拉應力和最大主壓應力較為接近，且均小于許用拉應力[σt]=0.402MPa 和許用壓應力[σc]=4.02MPa，可以看出，施作防護結構并換填和砂卵石換填均能起到了較為理想的防護效果。

表3 三種工況下兩根管線主應力統計表

4.2.2 變形分析

由圖7、圖8 及表4 可知，三種工況下的給水管和污水管的沉降曲線變化規律基本一致，最大沉降、反彎點及最大伸長變形基本出現在同一位置。從工況1 到工況3，給水管和污水管的沉降值和差異沉降值均逐步減小。其中工況1 施作防護結構、未換填；工況2 無防護結構、砂卵石換填；工況3 施作防護結構，砂卵石換填（現場方案），可以看出對管線施作防護結構、砂卵石（現場方案）換填起到了較為理想的防護效果。

圖7 三種工況下給水管豎向變形圖

圖8 三種工況下給水管豎向變形曲線

表4 三種工況下兩根管線沉降統計表

5 結束語

本文依托具體工程，采用數值分析的手段就地鐵明挖隧道對管線的安全性影響及保護措施展開研究，得到以下結論：

①原始狀態下，兩根管線的最大主拉、壓應力及最大沉降均發生在管線縱向15m（管線與框架橋相交）處；兩根管線受影響的范圍大約在30m 左右。兩根管線的最大主拉應力均大于許用拉應力，說明管線極易被拉壞，應給予相應的保護。

②三種保護措施中，兩管的最大累計沉降和差異沉降均小于規范控制要求；僅施作防護結構條件下管線的最大拉應力超過許用應力，而施作防護結構并換填和砂卵石換填條件下，兩根管線的最大主拉應力均小于許用應力，說明施作防護結構并換填和砂卵石換填措施起到了較為理想的防護效果。