地鐵出入口暗挖通道下穿市政道路及重要管線的影響分析及數(shù)值模擬

王冕WANG Mian

（中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加速，城市軌道交通作為現(xiàn)代化城市交通的重要組成部分，地鐵建設(shè)在緩解城市交通壓力、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高居民出行質(zhì)量中具有重要意義。在地鐵建設(shè)過程中，由于周邊環(huán)境較為復(fù)雜，市政管線眾多，當(dāng)需要出入口有過街需求時，通常采用暗挖法下穿市政道路及管線，如果施工方案中針對性保護(hù)措施不力，將面臨土體坍塌和管線滲漏等風(fēng)險，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文依托沈陽地鐵工程實例對淺覆土暗挖下穿道路及市政管線施工風(fēng)險進(jìn)行分析，制定可行的設(shè)計方案。以降低施工風(fēng)險，避免對市政道路及管線運(yùn)營造成不利影響[1-5]。

通過對工程實例進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析暗挖通道施工對上方市政道路及管線的影響。同時，通過數(shù)值模擬對比分析，探究采用深孔注漿法對土體加固前后，市政道路及管線沉降的變化規(guī)律，并為實際工程提供一定的參考作用。

1 工程概況

沈陽地鐵6 號線某車站位于鴨綠江北街與金山路交叉口南側(cè)，其中A2～A3 出入口暗挖通道下穿鴨綠江北街及道路下方多條重要市政管線。依次為：DN1000 砼排水管，埋深2.9m；2 根DN800 鋼熱力管，埋深2.5m；DN400 鑄鐵給水管，埋深1.5m；DN800 砼排水管，埋深2.7m；2 根DN630 鋼熱力管，埋深1.6m。同時暗挖通道橫跨盾構(gòu)區(qū)間，現(xiàn)場施工條件環(huán)境復(fù)雜。周圍環(huán)境情況如圖1 所示。

圖1 總平面圖

2 工程地質(zhì)及水文情況

沈陽地區(qū)地貌上單元眾多，主要為渾河沖洪積新、老扇高漫灘及古河道，市內(nèi)最高處是東部的大東區(qū)，海拔65m，最低處是西部的鐵西區(qū)，海拔36m，平均海拔約50m，地勢由東向西緩慢傾斜。本車站場地位于沈陽市皇姑區(qū)鴨綠江北街與金山路交匯處南側(cè)，地勢較平坦，本基坑穿越的土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、礫砂、圓礫，基底位于礫砂層。隧道圍巖等級為Ⅵ級。

勘察期間場地未見地表水。勘察期間場地內(nèi)見有一層地下水，為孔隙潛水，主要賦存于礫砂及以下地層中，現(xiàn)場測得地下穩(wěn)定水位埋深約為14.7～16.2m，主要受地下水徑流補(bǔ)給。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

暗挖通道開挖前在拱頂部采用DN32 單排小導(dǎo)管超前支護(hù)并預(yù)注漿加固地層。同時初期支護(hù)采用300mm 厚C25 網(wǎng)噴早強(qiáng)混凝土+鋼筋格柵，格柵間距0.5m。二襯厚0.5m，通道結(jié)構(gòu)寬6.5m、高4.6m。

由于通道上方重要市政管線較多，同時橫跨盾構(gòu)區(qū)間，施工現(xiàn)場環(huán)境非常復(fù)雜。為更好地控制施工風(fēng)險，應(yīng)對通道上方土體進(jìn)行加固處理。常見的加固方案有：①大管棚；②深孔注漿。管棚加固的優(yōu)點是其對土體的支撐作用較強(qiáng)；缺點是由于漿液僅能填充鋼管及管壁周圍的空隙，表面無螺紋，與水泥漿黏結(jié)較差，對地層固結(jié)差。同時大管棚需要專業(yè)設(shè)備和較大空間，在暗挖通道施工中使用空間受限，通常用于大斷面區(qū)間隧道施工[6-9]。相比管棚加固方案，深孔注漿的優(yōu)勢為可采用高壓注漿，漿液在土體中有較大的擴(kuò)散半徑，受改良土體的范圍較大；能夠形成良好的固結(jié)體，由于高壓注漿對土體具有擠壓、滲透作用，可使固結(jié)體周圍土層的物理力學(xué)性能顯著提高[9]。

綜合對比各加固方案的優(yōu)缺點，本工程最終選擇采用深孔注漿法進(jìn)行土體預(yù)加固。具體設(shè)計方案如下：上半斷面及初支外1.5m（同時距離管線底凈距不超過0.3m）及初支內(nèi)0.2m 范圍深孔注漿，注漿孔間距500×500，輻射狀打設(shè)，沿通道開挖方向每10m 一循環(huán)[10-11]。通道剖面圖如圖2、圖3 所示。

圖2 暗挖通道縱剖面圖

圖3 暗挖通道橫剖面圖

4 三維數(shù)值模擬分析

4.1 計算模型

根據(jù)現(xiàn)場管線情況、地質(zhì)勘查報告等資料，采用Midas GTS/NX 有限元軟件對出入口通道暗挖施工過程進(jìn)行三維模擬。計算時土體采用修正-摩爾庫倫本構(gòu)模型；深孔注漿因考慮其對土體的滲透、擠壓作用，計算時同樣采用修正-摩爾庫倫本構(gòu)模型。初支、二襯采用彈性本構(gòu)模型，初支、二襯、深孔注漿均為實體單元。

因模擬范圍內(nèi)地面為鴨綠江北街主干道，故施加模型荷載時除計算模型自重外，還應(yīng)考慮市政道路上方的車輛荷載。本工程車輛荷載取20kPa。模型材料屬性參數(shù)見表1，有限元計算模型如圖4 所示。

表1 計算參數(shù)

圖4 計算模型

4.2 計算結(jié)果與分析

通過對暗挖通道的開挖過程進(jìn)行數(shù)值模擬可知，地面沉降及管線沉降均超過10mm。考慮到暗挖通道開挖前，盾構(gòu)區(qū)間施工已造成路面及管線發(fā)生局部沉降[1-5]。本次模擬計算得出的路面及管線的沉降結(jié)果實際為盾構(gòu)施工完成后，通道開挖過程中產(chǎn)生的二次沉降。因此，應(yīng)對通道上方土體采取必要的加固措施，盡可能減小暗挖施工對通道上方土體的擾動，以降低施工對市政道路沉降及管線變形的影響[12-13]。

本項目選擇采用深孔注漿的方式對通道上方土體進(jìn)行加固。即通過改變深孔注漿實體單元的屬性，模擬計算加固前后的地表沉降及管線沉降，并對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.2.1 地表沉降分析

深孔注漿加固前后地表沉降值如圖5、圖6、表2 所示。

表2 深孔注漿前后最大地面沉降值

圖5 地表豎向位移圖

圖6 地表豎向位移圖（深孔注漿后）

通過計算分析可知：地表沉降主要發(fā)生在暗挖通道上方，并隨著通道施工過程的推進(jìn)逐漸增加。同時未進(jìn)行深孔注漿加固時，地表最大沉降為11.7mm。當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，地表最大沉降為2.73mm，即地面沉降大幅減小，最大沉降值降低77%。

此外，通過對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固，使地面的局部沉降范圍也發(fā)生了變化，主要沉降范圍由暗挖通道上方改為管線上方對應(yīng)位置。說明管線下方土體經(jīng)過加固后，土體剛度增加，地面沉降的主要影響因素由土層的整體沉降變?yōu)楣芫€的沉降。

4.2.2 管線沉降分析

深孔注漿加固前后管線沉降值如圖7、圖8、表3 所示。

表3 深孔注漿前后管線最大沉降值

圖7 管線豎向位移圖

圖8 管線豎向位移圖（深孔注漿后）

通過計算結(jié)果分析可知，管線沉降會受到管線埋深、管徑等多種不同因素的影響，上述管線埋深越淺，沉降值越大；同時通過位移云圖中管線沉降趨勢可以發(fā)現(xiàn)，管線沉降最大位置均出現(xiàn)在暗挖通道正上方，沉降值向管線兩端遞減，與地面沉降變化規(guī)律相同。

對比深孔注漿前后管線的最大沉降值的變化情況可知，未進(jìn)行深孔注漿加固時，通道開挖引起的管線最大沉降值為12.1mm，當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，對應(yīng)管線最大沉降值為2.67mm，管線最大沉降值降低了78%。由此可知：通道上方土體經(jīng)過深孔注漿加固后，土體剛度增加，可以使上方管線的沉降大幅降低。通過計算對比分析，各管線最大沉降值的降低幅度為70%～78%；其中，DN400 給水管沉降變化幅度最大，說明管線埋深越淺，深孔注漿對管線位移的影響越大。

同時，通過對深孔注漿前后各管線不同位置的相對位移差（即撓度值）進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，土體加固后管線變形（撓度值）大幅減小。如DN400 給水管由3/10000 減小至0.1/10000，降低了因管線變形導(dǎo)致管線破壞滲漏的風(fēng)險。

5 結(jié)論及建議

通過對深孔注漿加固前后，暗挖通道的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可以得出以下結(jié)論：

①當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，地面局部沉降范圍會發(fā)生變化，由暗挖通道上方改為管線上方對應(yīng)位置。且地面沉降相比加固前地面沉降大幅減小，有效地將沉降值控制在安全范圍內(nèi)。

②暗挖通道開挖過程中，管線在通道正上方范圍沉降值最大；同時沉降值向管線兩端逐步遞減。與地面沉降變化規(guī)律相同。當(dāng)對通道上方土體進(jìn)行深孔注漿加固后，通道開挖引起管線的沉降大幅減少，最大沉降值降低幅度超過70%。

③深孔注漿加固后，不僅可以減小地面及管線的局部沉降，同時還可以使管線撓度變形大幅減小，從而降低市政路面開裂及管線滲漏的風(fēng)險。