淺埋暗挖法施工對地下管線擾動影響分析

2012年，烏魯木齊市城市軌道交通建設(shè)規(guī)劃獲得國務(wù)院批準(zhǔn)，烏魯木齊市步入地鐵建設(shè)的快速發(fā)展階段。2015年，烏魯木齊市軌道交通1號線全線包括車站、豎井等65個工點全面展開施工建設(shè)，不可避免地穿越大量城市地下管線，由于大多數(shù)區(qū)間和車站均采用淺埋暗挖法（礦山法）的建設(shè)方式，施工中勢必會擾動周圍地層，打破地下管線的原有平衡狀態(tài)，致使鄰近管線變形和產(chǎn)生附加內(nèi)力，對地下管線構(gòu)成潛在威脅，迫切需要研究地鐵施工對地下管線的影響和控制問題。

針對淺埋暗挖法隧道施工對臨近管線的影響規(guī)律，不同學(xué)者針對不同地區(qū)不同項目展開了大量研究。Peck基于大量實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，認(rèn)為土體移動是由土體損失引起的，在假定土體不排水、沉降槽體積等于土體損失體積的條件下，提出地面沉降槽呈擬正態(tài)分布，橫向地面估算公式如式(1)和式(2)所示：

式中：x為距隧道軸線橫向水平距離；s(x)為x位置處的地面沉降量；smax為隧道軸線上方最大地面沉降量；Vloss為單位長度土體損失量；i為地面沉降槽寬度，即沉降槽曲線拐點離隧道軸線的水平距離。方便簡潔地描述了隧道開挖引起的地表沉降分布規(guī)律。工程人員以北京5號線和10號線為工程背景，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測的方法，系統(tǒng)研究了地鐵施工對臨近管線的影響規(guī)律，提出了適用于北京地區(qū)的地鐵施工對鄰近管線影響的簡化預(yù)測方法。學(xué)者魏綱對既有文獻(xiàn)中盾構(gòu)隧道引起地表沉降的沉降槽寬度字?jǐn)?shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，指出i值與R+htan(45°-φ/2)值間呈線性關(guān)系，i/[R+htan(45°-φ/2)]的值多數(shù)位于[0.45，0.5]之間，其中i為地面沉降槽寬度，R為隧道半徑，h為隧道軸線埋深，φ為內(nèi)摩擦角。工程人員等針對淺埋暗挖法下穿盾構(gòu)隧道的研究發(fā)現(xiàn)，雙線隧道間距小于2.0D（D為單線隧道寬度）時，地表沉降模式為“單凹槽狀”，間距大于2.0D時，則為“雙凹槽狀”。工程人員等基于監(jiān)測數(shù)據(jù)、經(jīng)驗公式及數(shù)值模擬計算結(jié)果的綜合對比，管線剛度對地層變形抵制作用的影響，指出當(dāng)管土相對剛度小于0.18時，管線與土體沉降誤差小于5%；隨管線剛度的增大，管線對土體變形的抑制作用逐漸增強，沿深度方向地層沉降量增大速率減小，并會出現(xiàn)負(fù)增長，甚至出現(xiàn)地層沉降小于地表沉降的情況。

本文針對淺埋暗挖法施工對管線和地表沉降影響，分別選取了橫斷面地表沉降、平行管線沉降、斜交管線沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初步得出了卵石地層中淺埋暗挖法對管線和地表沉降影響的規(guī)律，為今后新疆烏魯木齊地鐵建設(shè)提供了有力依據(jù)。

工程概況

北京南路地下管線極為密集且分布不規(guī)則，其中沿北京南路人行道鋪設(shè)的φ1200污水管與隧道非平行相交與北京南路與新醫(yī)路交叉口、沿新醫(yī)路鋪設(shè)的φ700給水管及φ500燃?xì)夤艿葹槌鞘兄饕芫€均為非平行相交，區(qū)間暗挖施工時，該管線存在一定風(fēng)險。

本次管線沉降監(jiān)測分析僅涉及區(qū)間正線，對應(yīng)里程為DK11+765.000～ DK12+424.342。區(qū)間采用礦山法施工，標(biāo)準(zhǔn)斷面SD-1斷面全長460.242m，開挖斷面尺寸為6.62×6.48m，具體施工順序如表1所示。正洞為標(biāo)準(zhǔn)馬蹄形結(jié)構(gòu)斷面，初期支護(hù)采用格柵鋼拱架噴射C25混凝土，厚度25cm，初襯結(jié)構(gòu)設(shè)置單層鋼筋網(wǎng)，格柵間距0.75m。超前小導(dǎo)管為φ25無縫鋼管，縱向間距為1.5m，長3.0m，兩榀一打設(shè)，環(huán)向間距為0.3m，隧道拱頂120°范圍布設(shè)。區(qū)間主體結(jié)構(gòu)采用C45、P10混凝土。

本區(qū)間范圍內(nèi)主要由人工填土層、第四系全新統(tǒng)沖、洪積卵石層、第四系上更新統(tǒng)坡、洪積卵石層及下伏的伏侏羅系泥巖、砂巖、礫巖構(gòu)成，人工填土層主要為雜填土，廣泛分布于地表，基巖上部主要為卵石層。

表1 標(biāo)準(zhǔn)斷面施工順序表

沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

橫斷面地表沉降分析

在大里程區(qū)段，左線超前于右線掘進(jìn)，當(dāng)右線大里程施工穿越監(jiān)測斷面DB-09附近（相對位置關(guān)系如圖1所示）時，找到監(jiān)測點DB-09-11（隧道中軸線正上方）的最大沉降日期，并將該時間的DB-09斷面上各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，注意到此時左線大里程隧道早已超過DB-09斷面附近，因此應(yīng)綜合考慮左線和右線施工對此處地表沉降的影響。

斷面DB-09各監(jiān)測點所監(jiān)測到的地表沉降數(shù)據(jù)如圖2所示，可以看到隨著到隧道區(qū)域的距離增加，地表沉降會減小，在趨勢上監(jiān)測數(shù)據(jù)點形成近似公式(1)中的Peck公式表示的沉降槽曲線，對兩條隧道分別采用Peck公式進(jìn)行擬合可得到左線和右線的地表沉降擬合曲線，二者進(jìn)行疊加可得到總體沉降。在擬合曲線中，根據(jù)工程人員得出的地表沉降槽寬度的擬合公式近似取i=10m，左線smax=-1.2mm，右線smax=-4.8mm，對監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合情況較好?？梢园l(fā)現(xiàn)雖然兩條隧道穿越同一區(qū)域，由于施工差異等原因，造成的地表沉降并非完全相同，因此在后續(xù)分析時應(yīng)考慮相對不利情況。

圖1 DB-09斷面上各監(jiān)測點與隧道的位置關(guān)系

圖2 DB-09斷面地表沉降

平行管線沉降分析

圖3 給水管測點GCJ-04-13與左線隧道的位置關(guān)系

測點GCJ-04-13是直徑為600mm的鑄鐵給水管測點，位于里程K12+148.6的左線左側(cè)，距離左線隧道軸線約7m，距離右線隧道中軸線約22m，管線與隧道軸線平行，埋深為-1.7m左右，具體平面位置關(guān)系如圖3所示。

由于給水管管線距離右線隧道較遠(yuǎn)，可忽略右線施工對管線和附近地表沉降的影響。圖4為給水管測點GCJ-04-13及附近DB-18-01地表沉降時程曲線，可以看出，在隧道開挖到監(jiān)測點附近之前，地表和管線均未發(fā)生明顯沉降，沉降量在0附近上下波動；掌子面經(jīng)過測點下方時，地表和管線基本同時沉降，且管線沉降量略大于地表沉降。即對于平行管線，當(dāng)其本身剛度較大且埋深較深，其沉降量將與此處的地表沉降產(chǎn)生一定差異，一般略大于地表沉降。

圖4 GCJ-04-13及附近地表沉降時程曲線

圖5 給水管測點GCJ-02-33和GCJ-02-34與隧道的平面位置關(guān)系

圖6 GCJ-02-33和GCJ-02-34及附近地表沉降時程曲線

斜交管線沉降分析

GCJ-02-33和GCJ-02-34是直徑為200mm的塑膠給水管測點，分別位于里程K11+860.2的左線兩側(cè)，管線與隧道軸線斜交，相交角度為32°，管線埋深為-0.6m左右，具體平面位置關(guān)系如圖5所示。

由圖5可以看到，GCJ-02-33和GCJ-02-34均距離右線小里程隧道較近，且GCJ-02-33更容易收到左線施工的影響。

圖6中地表沉降波動起伏，一方面可能由于測量誤差造成，另一方面也受左線施工（如現(xiàn)場生產(chǎn)活動、注漿等）影響；在圖6中管線沉降相對穩(wěn)定，在沉降過程中發(fā)生一定的管土分離；最終管線和地表沉降穩(wěn)定于-1.5mm附近。可以發(fā)現(xiàn)管線沉降初期地表發(fā)生隆起，形成一定的管土分離，隨后隆起下降轉(zhuǎn)為沉降；GCJ-02-34的沉降過程相對平緩，最終于地表沉降穩(wěn)定在-2mm附近。

結(jié)語

本文基于新疆烏魯木齊淺埋暗挖法地鐵隧道施工對臨近管線沉降的影響，分析了現(xiàn)場地表和管線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到了如下結(jié)論。

地表和管線沉降量值有限，均不超過6mm，表明烏魯木齊卵石地層土質(zhì)較好，地層整體剛度較高，在保障施工質(zhì)量的前提下礦山法施工一般不會對地表和管線造成嚴(yán)重影響。

斷面上地表沉降可近似用Peck公式進(jìn)行擬合，得到沉降槽寬度i和最大沉降量smax，可較精確地刻畫地表的沉降規(guī)律，且沉降槽寬度與經(jīng)驗公式較為相符。

在掌子面接近測點的過程中，地表和管線均逐漸發(fā)生輕微隆起，且隨著掌子面靠近監(jiān)測點，隆起值越大；當(dāng)掌子面經(jīng)過監(jiān)測點正下方，地表和管線隆起值減小，地表和管線的隆起迅速變小進(jìn)而發(fā)展為沉降。

隆起是由于超前小導(dǎo)管注漿對地層的填充作用，或者土方開挖產(chǎn)生的卸載作用造成的。沉降是土方開挖導(dǎo)致應(yīng)力重分布，對地層產(chǎn)生擾動造成的，另外，隧道襯砌在圍巖壓力作用下變形也好造成地層損失。