盾構隧道伴行對高壓管線變形的影響分析

席培勝，周冠宇，張 軍

（1.安徽建筑大學土木工程學院，合肥 230601；2.安徽省城市建設和地下空間工程技術研究中心，合肥 230601）

引言

城市地下管線分布復雜，盾構隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）掘進施工過程中會不可避免地對周圍地層造成擾動[1]，進而可能導致管線變形甚至開裂破壞，影響管線的正常使用。文獻[2-5]對盾構施工時地下管線的變形及其影響進行了理論分析。吳為義等[6]采用FLAC 3D 軟件模擬了杭州地鐵隧道盾構施工對上部平行地下管線的影響，發(fā)現(xiàn)管線的沉降與管線的埋深、管線與隧道水平距離等因素有關。Liu 等[7]研究了盾構隧道施工對平行于新建盾構隧道上方既有管線變形的影響，提出了用以預測現(xiàn)有管道時空變形的解決方案。魏綱等[8]研究雙線隧道施工時臨近地下管線的安全性判別方法，將管線應變或接頭轉角控制安全允許值轉變?yōu)閷牡乇沓两悼刂浦怠ｑR建[9]從理論方程、模擬計算、模型試驗和現(xiàn)場實測4 個方面，對盾構隧道施工穿越既有管線影響的研究現(xiàn)狀進行了闡述。文獻[10-12]著重分析盾構開挖斜穿既有管線造成的管線變形，發(fā)現(xiàn)管線軸線與盾構隧道軸線夾角的減小會增加既有管線的沉降。文獻[13-14]通過采取控制盾構機土艙壓力、掘進速度以及刀盤轉速等措施減少對土體的擾動，從而控制地表、地下管線沉降。然而，迄今為止，對盾構隧道施工伴行高壓管線時高壓管線的變形研究較少。

為解決某隧道長距離伴行工業(yè)氮氣、氧氣管線安全施工問題，采用Plaxis 3D 有限元軟件[15]建立隧道－管線－土層的共同作用模型，研究盾構隧道施工引起的地層變形及其對高壓氮氣、氧氣管線受力和變形造成的影響，以及在盾構正常工作時管線在不同位置關系、不同含壓量的變形及受力情況。在此工程順利實施的基礎上，為高壓管線伴行時的危險因素分析提供理論依據(jù)。

1 工程概況

合肥軌道交通1 號線三期工程，天水站至停車場區(qū)間隧道施工時伴行著工業(yè)高壓氮氣管和氧氣管。管道為碳鋼材質，管徑為400 mm，壁厚為8 mm，工作壓力為1.2 MPa，埋深約為1.5～6.0 m，氮氣、氧氣管線在隧道右線上方，二者相距較近。

此盾構隧道采用了兩個獨特的圓形斷面，并使用了裝配式鋼筋混凝土襯砌結構。隧道內(nèi)部直徑為540 mm，管道厚度為300 mm，寬度為150 mm，每個環(huán)節(jié)由6 塊管片組成，管道混凝土材料為C50P10。通過錯縫拼接和彎螺栓連接，每個環(huán)形管道都有16 根縱向和12 根環(huán)形連接螺桿；防水等級為二級。土層上部道路受到車輛荷載和房屋自重作用，簡化為20 kN/m2的均布荷載。其中管線為氮氣、氧氣高壓管線，危險系數(shù)大，必須嚴格控制管線的沉降和變形。兩根管線與右側隧道直線距離分別為12、17 m；與左側隧道直線距離分別為32、37 m。具體位置關系如圖1 所示，圖中長度單位均為m。本文就此方向進行討論，探究在高壓氮氣、氧氣管正常運行條件下，隧道盾構伴行時管線變形量的變化。

圖1 工程地質情況示意圖

2 數(shù)值模型的建立

2.1 基本假定

為便于問題的分析，作出如下假定：

1）采用相同直徑和壁厚的薄壁管作為氮氣、氧氣輸送系統(tǒng)，其材料符合各向同性的線彈性特征。

2）地層材料符合修正Mohr-Coulomb模型。

3）假定土體在自重作用下產(chǎn)生的變形與應力在盾構施工前已經(jīng)完成，在計算中不予考慮。

4）假定盾構掘進前埋藏管線、地層擾動等產(chǎn)生的沉降變形初始為0。

5）假定氮氣、氧氣管線始終與周圍土體緊密接觸。

6）土層上部道路車輛荷載和房屋自重簡化為20 kN/m2的均布荷載。

2.2 參數(shù)屬性

根據(jù)地質勘查報告，該地區(qū)地層從上至下依次為雜填土、淤泥質黏土、黏土和粉質黏土，土層的物理力學參數(shù)見表1，所有土層都采用Mohr-Coulomb模型。

表1 土層物理力學參數(shù)

土層中管線為碳鋼管線，采用板屬性進行模擬，盾構機的外殼用TBM 板模擬。盾構機穿越后襯砌采用混凝土襯砌，襯砌結構采用混凝土板進行模擬。板結構具體物理力學參數(shù)見表2。

2.3 盾構隧道伴行高壓管線模型的建立

2.3.1 模型概況及受力情況

隧道襯砌結構采用C50 混凝土管片，內(nèi)徑d為5.4 m，外徑D為6 m，管片寬度為1.5 m，管片厚度為0.3 m。采用60 m×70 m×30 m 的計算模型，將其設置在一個具有x、z、y3個方位的三維坐標系中，其中x軸指的是平行于隧道橫斷面的水平方向，y軸為隧道軸線推進方向，z軸指的是垂直方向。模型上表面為自由面，底部邊界為固定約束，側邊界為側向位移約束，管線節(jié)點與周圍土體節(jié)點耦合，隧道襯砌節(jié)點與周圍土體節(jié)點耦合。數(shù)值計算模型先開挖左線隧道，再開挖右線隧道。結合現(xiàn)場施工情況，管線內(nèi)部氣壓均為1.2 MPa，盾尾同步注漿壓力為0.17～0.23 MPa，計算過程中地面施加20 kN/m2的均布荷載，掌子面壓力按靜止土壓力計算，上端壓力為0.5 MPa。

2.3.2 網(wǎng)格劃分及施工步的設立

模型建立結束后進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為10節(jié)點網(wǎng)格，模型共劃分162 634個土體單元，250 862個節(jié)點數(shù)常規(guī)信息。土層含水率的影響忽略不計，故有限元滲流條件中不進行土層含水率設置。進入分階段施工模擬時，在Initial Phase 中激活管線氣壓及上部面荷載，此步驟類型選擇“K0過程”，生成初始應力狀態(tài)。其中，Initial Phase 代表盾構未掘進時地層所受應力情況，“K0過程”代表土層總體應力的預設。

通過“K0過程”，Plaxis 可以根據(jù)土體的自身平衡狀態(tài)來計算豎向應力，而水平應力則可以根據(jù)預先設定的K0值來計算。K0值雖然能夠確保材料不會出現(xiàn)塑性變形，但卻無法確保整個應力場處于完全的均衡狀態(tài)。當土壤和水位保持穩(wěn)定時，整個應力場才能達到平衡。通過“K0過程”的計算，所有的土體自重都已經(jīng)被激活，因此，在任何時候都無法對土的重量進行調(diào)整。

設置盾構掘進施工步驟分別為Phase-1、Phase-2、Phase-3 直至Phase-X，X 代表第X 步施工。Phase-1 只激活管線內(nèi)部氣壓與上部荷載，進行運算，此時盾構隧道沒有進行任何掘進，將此施工步驟設置為單位0。盾構沒有進入時Phase-1 盾構前進步驟為-1，Phase-2 中設置前進步驟為0，Phase-3將前進步驟設置為1，以此類推，在第Phase-48貫穿左側隧道后，繼續(xù)設置Phase-49 選擇右側隧道設置前進步驟為0，依次設置盾構推進，于Phase-95貫穿右線。雙線隧道貫穿時模型如圖2所示。

圖2 數(shù)值計算模型

3 實測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

3.1 管線沉降模擬值

選擇管線30 m 處作為沉降監(jiān)測點，將掌子面與監(jiān)測點在同一平面時的掘進步設定為0，掌子面到達監(jiān)測點前設定為負，掌子面穿越后設定為正。通過有限元模擬獲得管線沉降數(shù)據(jù)如圖3所示。本文中橫坐標為掘進步驟（距離）時，其中的距離單位1是指掘進一環(huán)，每環(huán)1.5 m；縱坐標管線沉降值為監(jiān)測點管線相對盾構掘進前變形沉降值。盾構掘進對管線影響以沉降為主，水平位移可以忽略不計。

圖3 管線沉降模擬值

由圖3可知，右側盾構會導致管線變形大，管線上方土體會產(chǎn)生沉降，且當盾尾通過后，管線上方土體沉降達到最大值，約為4 mm。之后沉降開始減小并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。這是因為隨著盾尾離開監(jiān)測斷面，管片襯砌受到周圍土體擠壓作用而發(fā)生回彈，導致管線上方一定范圍內(nèi)土體隆起。但最終也都恢復到了正常位置。左側盾構對兩根管線變形影響均在0.5 mm 以內(nèi)，在盾構機到達前距離較遠處影響不大，在盾構機距離管線10 m 時變形開始不斷增加。由于左側盾構與管線距離較大，所以左側盾構對管線變形影響相比于右側較小。總體來說，兩者都不會超過2 mm，所以可以忽略不計。從上述結果來看，盾構掘進過程中，如果存在伴行管線，那么就有可能使得管線出現(xiàn)變形問題，甚至還會造成管線破壞等嚴重后果。

3.2 管線沉降實測值

施工過程中盾構機掘進距離與管線沉降值之間的關系如圖4 所示，圖中GX1-1、GX2-1、GX3-1為盾構掘進結束時，與右側隧道距離分別為7、12、17 m 的管線沉降實測值。圖4 中可見，管線沉降值先期不斷增加，在盾構施工第26環(huán)時管線沉降到達最大值后開始變小。由于管線埋深大、周圍土體性質差以及盾構掘進擾動等因素綜合作用導致后期管線沉降變化速率減緩并趨于穩(wěn)定。

圖4 管線沉降實測值

對比圖3 中模擬管線沉降數(shù)據(jù)和圖4 中實測管線沉降值可見，有限元模擬中管線沉降趨勢與實測管線沉降趨勢總體一致。盾構到達前管線沉降不斷增大，盾構穿越后有少量回彈，即沉降量變小。現(xiàn)場實測為了避免破壞管線，沒有對管線進行實測，管線沉降數(shù)據(jù)使用管線上方地表沉降值代替。因為地層不均勻沉降程度也可能影響管線的沉降，導致管線沉降實測值相對模擬值偏大，因此，管線上方地表沉降與管線自身沉降之間存在耦合作用。此外，從圖4中還可以發(fā)現(xiàn)，管線上方地表沉降量明顯大于管線自身沉降量，即管線沉降受隧道伴行影響較大。

4 高壓管線沉降影響因素分析

現(xiàn)就高壓管線中含壓量、盾構機與管線軸線距離對管線沉降的影響以及無壓管線沉降做3組正交模擬，設置3 種不同工況下管線內(nèi)部氣壓值進行數(shù)值模擬。3組氣壓情況分別見表3。

表3 管線內(nèi)部氣壓 MPa

4.1 左右線掘進對不同管線沉降的影響

4.1.1 左線盾構隧道掘進對管線沉降變形的影響

圖5 所示為左線隧道盾構時管線沉降值。由圖5可見，隨著左線隧道盾構施工，管線沉降逐漸增大；當左線隧道貫穿后，管線沉降速率迅速減小并趨于穩(wěn)定。這是因為，當左線隧道未掘進到監(jiān)測點位置之前，管線上方土體受到的擠壓作用力將會導致管線發(fā)生隆起，而且隨著時間推移，該處隆起程度不斷增加，最終使得管線產(chǎn)生了一定的位移變化。左線盾構隧道掘進時，管線沉降值均控制在1 mm 以內(nèi)。左側盾構隧道中心線到兩管線的距離分別為32.7 m 與37.4 m。分析圖5 中變形沉降趨勢可以看出：在控制其他因素一致的條件下，左側盾構隧道施工對管線在不同氣壓同一檢測點沉降值的影響不大。由于左右兩側管線埋深相差不多，所以其沉降差也不會太大。總體分析來看，管線變形均控制在1 mm內(nèi)，即左線盾構對兩根管線影響都很微弱。

圖5 左線隧道盾構時管線沉降值

4.1.2 右線盾構隧道掘進對管線沉降變形的影響

圖6所示為右線隧道掘進時的管線沉降值。分析圖6中右線盾構隧道掘進時的管線沉降值可以發(fā)現(xiàn)，右線隧道掘進時，左側管線所產(chǎn)生的變形較大，盾構掘進距離監(jiān)測點較遠時，管線會發(fā)生輕微抬升，隨著盾構掘進不斷地靠近監(jiān)測點，沉降量不斷增加。相對于右側管線沉降值而言，左側管線距離盾構隧道更近，沉降值更大，變形更明顯。對比同一根管線不同氣壓可知：含高壓管線沉降量基本相同，無壓管線沉降偏小。這是由于含高壓管線與周圍土體之間存在摩擦力，而無壓管線則沒有這種作用。因此，當右線盾構進行時，兩側管線沉降差距逐漸減少，且最終趨于一致。總體分析來看，管線變形均控制在4 mm內(nèi)，而含壓管線變形的危險變形控制量為20 mm，非含壓管線的危險變形控制量為30 mm，此項目均滿足安全要求。

圖6 右線隧道掘進時的管線沉降值

4.2 相同管線不同情況下沉降情況

左側管線沉降與右側管線沉降分別如圖7、圖8所示。從圖7、圖8可知，相較于管線內(nèi)部氣壓，管線與隧道之間的距離才是管線沉降的控制性因素。若將管線視為一個整體，其受到的影響主要來自兩個方面：一是管線上方的覆土壓力；二是隧道上方的地層損失。其中，覆土壓力越大，管線所受的影響就越強，反之亦然。此外，由于隧道上部存在一定厚度的巖層，故該部分巖體會產(chǎn)生相應的位移和變形，從而導致管線發(fā)生形變。含高壓管線的沉降最大值為3.96 mm；而無壓管線的沉降最大值為3.83 mm。含高壓管線的沉降值比無壓管線的沉降值多出4%，都控制在安全范圍內(nèi)。但是若管線與隧道相距更近時，管線沉降將更大，含高壓管線與無壓管線變形量差距也會更大。尤其是在沉降變形逼近20 mm 時，無壓管線沉降控制值為30 mm，且相對于含高壓管線，無壓管線變形相對更小，所以無壓管線偏向安全，此時高壓管線就需要進行加固或遷移。

圖7 左側管線沉降

圖8 右側管線沉降

5 結論

1）在盾構掘進過程中，地層損失、注漿壓力等都會造成周圍土體的擾動，引起管線變形。盾構隧道掘進時，高壓管線比無壓管線變形幅度更大，而變形沉降在盾構機穿越結束后差異最大，此時含高壓管線的最大沉降值3.96 mm 比無壓管線的3.83 mm多出4%。

2）盾構隧道伴行高壓管線施工時，靠近盾構一側且地層埋深較大的管線變形沉降將會更大。當盾尾離開管片后，管線沉降迅速減少，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3）相較于內(nèi)部氣壓，管線與盾構中心線的距離導致管線的沉降變形更大。距離管線更遠一側的盾構隧道施工時，管線沉降控制在0.3 mm 內(nèi)；靠近管線一側隧道掘進時，與中心線距離為12 m 處的管線最大沉降為3.96 mm。