暗挖地鐵隧道對(duì)南水北調(diào)管廊影響分析

夏東風(fēng)

（中鐵建昆侖地鐵投資建設(shè)管理有限公司，成都610000）

0 引 言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，線路越來越密集，不可避免會(huì)出現(xiàn)地鐵臨近既有建筑物或構(gòu)筑物情況[1－2]，這些建筑物或構(gòu)筑物有地下通道[3－4]、箱涵[5]、橋梁[6－9]、地下管線[10]、已運(yùn)營地鐵隧道[11]、城墻[12]等。地鐵施工會(huì)引起土體位移和地面沉降，從而導(dǎo)致既有建筑物或構(gòu)筑物的應(yīng)力重分布，引起結(jié)構(gòu)開裂、脫落，甚至局部坍塌。管廊是地下構(gòu)筑物的一種，在我國城市綜合交通、市政工程中逐漸得到了應(yīng)用。隨著建成的管廊工程越來越多，在管廊區(qū)域進(jìn)行地鐵施工的情況也隨之出現(xiàn)。在地鐵隧道穿越管廊方面，一些文獻(xiàn)采用理論分析、施工技術(shù)及數(shù)值分析的方法進(jìn)行了研究：馬杰[13]對(duì)暗挖隧道穿越管廊措施詳細(xì)研究，并以地表和洞內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了暗挖隧道施工影響分析，但由于無法開展暗挖隧道施工時(shí)管廊位移監(jiān)測，研究價(jià)值尚有瑕疵；劉治寶[14]采用風(fēng)險(xiǎn)分析方式，對(duì)隧道下穿管廊進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并針對(duì)性地提出了風(fēng)險(xiǎn)控制方案及施工措施；熊志浩等[15]采用數(shù)值分析方法對(duì)隧道斜穿管廊進(jìn)行了詳細(xì)分析；高超等[16]采用數(shù)值分析方法對(duì)地鐵隧道洞群與管廊不同施工順序進(jìn)行了分析，證明了同步開挖為最優(yōu)方案；周張博等[17]對(duì)廈門地鐵2 號(hào)線高濕區(qū)間隧道下穿翔安隧道地下管廊過程中的管廊變形進(jìn)行了自動(dòng)化監(jiān)測，并詳細(xì)分析了監(jiān)測數(shù)據(jù)。目前對(duì)地鐵隧道穿越管廊的研究存在可借鑒的工程案例少、尚未形成系統(tǒng)性等問題，因此，開展地鐵隧道尤其是暗挖法地鐵隧道施工對(duì)管廊的影響分析有著一定的工程價(jià)值。本文針對(duì)依托工程現(xiàn)場情況，提出相應(yīng)的保護(hù)措施；通過三維有限元手段，分析了暗挖地鐵隧道施工對(duì)上方管廊的影響，得出了影響規(guī)律，以求為今后類似工程提供借鑒與參考。

1 工程概況

北京地鐵14 號(hào)線郭莊子站—大井站區(qū)間暗挖段（郭莊子站—風(fēng)道）左線、右線里程分別為ZK7+311.55 ～ZK8+093.90 （長度 782.35 m） 和 YK7+311.55～YK8+080.51（長度 767.96 m）。 郭大區(qū)間暗挖段在里程YK7+595（ZYK7+595）設(shè)置施工豎井、橫通道（兼聯(lián)絡(luò)通道）。 區(qū)間旁穿大井西橋后，下穿郭莊子村平房、京石高速公路、南水北調(diào)管廊及數(shù)條雨污水管和上水管，隧道拱頂埋深為9.5~16.5 m，主要穿越土層為卵石—圓礫層。 地下水主要為潛水，位于隧道基底及基底以下。

南水北調(diào)管廊為混凝土結(jié)構(gòu)，區(qū)間下穿里程為：右線 YK8+020～YK8+045，左線 ZK8+045～ZK8+070，區(qū)間與南水北調(diào)管廊平面、剖面位置關(guān)系如圖1、圖 2 所示。 管廊尺寸：高 4.9 m，寬 9.2 m，管廊頂板和底板埋深約為3.0、7.9 m，管廊為有壓管廊，全斷面過水，在區(qū)間下穿影響范圍內(nèi)有變形縫。 區(qū)間隧道拱頂距管廊底板約8.6 m，為一級(jí)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工程。

圖1 地鐵區(qū)間與南水北調(diào)管廊平面位置關(guān)系

圖2 地鐵區(qū)間與南水北調(diào)管廊剖面位置關(guān)系

2 南水北調(diào)管廊沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)措施

2.1 沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)南水北調(diào)管廊的評(píng)估中間資料，對(duì)區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊時(shí)的控制值要求如下：管廊在區(qū)間開挖范圍內(nèi)的絕對(duì)沉降控制值7 mm，管廊的差異沉降值5 mm，縱向沉降坡度不應(yīng)大于0.0007。

2.2 保護(hù)措施

區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊采取以下保護(hù)措施：

1） 應(yīng)在施工前對(duì)南水北調(diào)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，且對(duì)影響范圍內(nèi)（YK8+020~風(fēng)道、ZK8+045～風(fēng)道）地下管線和地下空洞情況提前進(jìn)行地面雷達(dá)探測，對(duì)查出的空洞采取注漿措施回填，保證回填密實(shí)。

2） 應(yīng)先施工右線隧道再施工左線隧道。 YK8+020~YK8+045（ZK8+045～ZK8+070）里程采取洞內(nèi)深孔注漿措施，加固范圍為隧道拱頂開挖輪廓線外2 m。 注漿工藝及漿液種類由施工現(xiàn)場注漿試驗(yàn)確定。 深孔注漿質(zhì)量監(jiān)測要求：土體在注漿完成后，應(yīng)有良好的均勻性和自立性，注漿后土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為 0.5～0.8 MPa，滲透系數(shù)不大于 1.0×10-7m/s。 若現(xiàn)場注漿試驗(yàn)效果達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整注漿工藝及漿液種類。

3） 采用上下臺(tái)階法（設(shè)臨時(shí)仰拱）施工法，鋼支撐縱向間距0.5 m/榀，施工步長為0.5 m，左右線掌子面應(yīng)錯(cuò)開不小于25 m 施工。

4） 施工中，要加強(qiáng)對(duì)開挖工作面地質(zhì)的觀察和記錄，隨時(shí)掌握土層的濕度情況，判斷其穩(wěn)定性，必須對(duì)開挖面前方的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)情況進(jìn)行超前探測，以指導(dǎo)施工及注漿加固止水。 若發(fā)現(xiàn)地層潮濕，隨時(shí)打設(shè)超前探管進(jìn)行探測，探測深度不小于5 m，如有殘余水（由管線滲漏、降水盲區(qū)或地層水囊所致）則通過探管引排；同時(shí)根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適漿液進(jìn)行注漿堵水，必要時(shí)掌子面上采用小導(dǎo)管注漿封閉。 做好應(yīng)急準(zhǔn)備，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

5） 開挖嚴(yán)格遵守“管超前、嚴(yán)注漿、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、短步距、勤量測”十八字方針。

6） 加強(qiáng)監(jiān)測，必要時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿。

3 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證與分析

3.1 數(shù)值模型的建立

本次計(jì)算采用Midas GTS NX 軟件，該軟件為大型通用巖土工程計(jì)算分析軟件?？紤]空間效應(yīng)，建立暗挖地鐵隧道下穿南水北調(diào)管廊的三維有限元分析模型，見圖 3。 模型尺寸：X、Y、Z 方向上長度分別約為 129.28、82.5、45 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、隧道初支及二襯均采用實(shí)體單元模擬，南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)采用板單元模擬，臨時(shí)支撐采用梁單元模擬。 土體采用摩爾-庫倫模型模擬。

圖3 三維有限元分析模型

3.2 計(jì)算參數(shù)及模擬工況

模型共分3 個(gè)土層，各土層物理力學(xué)參數(shù)取值與地勘報(bào)告，列于表1 中，地勘報(bào)告只給出了壓縮模量，根據(jù)前人研究成果，彈性模量一般取壓縮模量的3～5 倍，文中取5 倍。暗挖地鐵隧道、管廊材料計(jì)算參數(shù)列于表2 中。

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 隧道、管廊結(jié)構(gòu)材料計(jì)算取值

計(jì)算模擬中設(shè)置不注漿加固工況和注漿加固工況，不注漿加固、注漿加固工況具體模擬步序見表3（不加固工況無工序2）。 計(jì)算工序與實(shí)際工序稍有差異，計(jì)算中右線、左線上臺(tái)階施工完成后再施工下臺(tái)階，而實(shí)際施工中，上下臺(tái)階工作面保持在6 m 左右，計(jì)算中一次性開挖臺(tái)階相對(duì)于實(shí)際施工，引起的土體變形要大，對(duì)于變形控制更有利。

表3 不加固工況和加固模擬工序

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.3.1 右線施工

圖4 右線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移云圖

不注漿和注漿加固工況下右線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移如圖4 所示。 由圖4 可知：①不注漿固工況下右線施工后管廊豎向位移最大值為4.784 mm，注漿加固工況下右線施工后管廊豎向位移最大值為2.187 mm，加固處理后管廊豎向位移減小約54.3%；②不注漿和注漿加固工況下管廊豎向位移最大值發(fā)生在右線上方。

3.3.2 左線施工

左線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移如圖5所示。 由圖5 可知：①不注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為8.211 mm，已超過7 mm豎向變形控制標(biāo)準(zhǔn)；②注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為3.642 mm，注漿加固處理后管廊豎向位移減小約55.7%； ③不注漿和注漿加固工況下管廊豎向位移均向左線方向偏移。

圖5 左線施工后南水北調(diào)管廊豎向位移云圖

3.3.3 二襯施工

不注漿加固工況下二襯施工后南水北調(diào)管廊豎向位移如圖6 所示。 從圖6 中知： ①不注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為9.111 mm，超過7 mm 豎向變形控制標(biāo)準(zhǔn)；②注漿加固工況下左線施工后管廊豎向位移最大值為4.252 mm，注漿加固處理后管廊豎向位移減小約53.3%；③對(duì)比右線施工、左線施工，二襯施工引起的管廊豎向位移變化較小。

圖6 二襯施工后南水北調(diào)管廊豎向位移云圖

3.3.4 過程分析

圖7 南水北調(diào)管廊豎向位移隨不同施工步變化曲線

表4 不注漿加固工況與注漿加固工況管廊豎向位移值比較表

南水北調(diào)管廊豎向位移隨不同工序變化曲線如圖 7 所示，具體數(shù)值列于表 4 中。 由圖 7、表 4 可知：①隨著工序開展，管廊豎向位移逐漸增大；②采取洞內(nèi)深孔注漿加固措施后，南水北調(diào)管廊豎向位移明顯減少，9 個(gè)施工工序下，注漿加固后管廊豎向位移相對(duì)于不加固減少53.3%～59.4%；③右線施工、左線施工、二襯施工引起的管廊豎向位移分別為4.784、3.437、0.9 mm，占管廊豎向總位移比分別為52.5%、37.7%、9.8%，右線施工引起管廊豎向位移最大，二襯施工引起的管廊豎向位移遠(yuǎn)小于右線施工和左線施工引起的管廊豎向位移； ④右線上臺(tái)階和左線上臺(tái)階施工引起的管廊豎向位移分別為4.153 mm 和2.895 mm，右線上臺(tái)階和左線上臺(tái)階施工引起的管廊豎向位移分別為0.631 mm和0.542 mm。 右線上臺(tái)階施工引起的管廊豎向位移大于左線上臺(tái)階，右線和左線下臺(tái)階施工引起的管廊豎向位移相差不大，左右線上臺(tái)施工引起的管廊豎向位移均大于左右線下臺(tái)階施工。

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

區(qū)間隧道下穿南水北調(diào)管廊時(shí)，進(jìn)行了地表沉降和洞內(nèi)變形監(jiān)測，見圖8，其中洞內(nèi)變形監(jiān)測包括拱頂下沉和收斂變形。 右線、左線分別布置有6、7 個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)監(jiān)測斷面包括1 個(gè)拱頂下沉測點(diǎn)和2 個(gè)收斂位移測線 （上下各一條測線），其中YX1、ZX1 斷面未完成監(jiān)測，文中不對(duì)上述2 個(gè)斷面進(jìn)行分析。 管廊正下方的2 個(gè)洞內(nèi)監(jiān)測斷面拱頂下沉和收斂位移變化曲線如圖9 所示，洞內(nèi)監(jiān)測結(jié)果列于表5 中。 由圖9 和表5 可知： ①拱頂下沉和收斂位移初期變化速率較大，大約20 d 以后，洞內(nèi)變形趨于穩(wěn)定; ②對(duì)于拱頂下沉，右線6 個(gè)斷面最大測值在1.0～2.6 mm 范圍內(nèi)，左線 7 個(gè)斷面最大測值在 0.95～1.7 mm 范圍內(nèi)； ③對(duì)于收斂位移，右線6 個(gè)斷面最大測值在1.0～1.9 mm 范圍內(nèi)，左線 7 個(gè)斷面最大測值在1.0～2.0 mm 范圍內(nèi)；④其中右線洞內(nèi)變形穩(wěn)定時(shí)間較左線要長，右線洞拱頂下沉最大測值大于左線，其原因?yàn)樽缶€先于右線施工，左線施工對(duì)右線附近圍巖存在先期擾動(dòng)； ⑤比較計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果與計(jì)算結(jié)果相近，驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算可靠性。

圖8 監(jiān)測平面布置

圖9 拱頂下沉和收斂位移時(shí)程曲線

5 結(jié) 論

1） 北京地鐵14 號(hào)線郭莊子站—大井站區(qū)間暗挖段下穿南水北調(diào)管廊，除臺(tái)階法控制施工影響外，采取了洞內(nèi)深孔注漿措施，經(jīng)過不注漿加固和注漿加固工況數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析，采取加固處理措施后，管廊豎向最大位移為4.252 mm，相對(duì)于不注漿加固，減少幅度超過53%。 下穿時(shí)管廊豎向位移滿足最大位移不超過7 mm 和差異沉降不超過5 mm 的控制要求，南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

2） 不注漿加固工況和注漿加固工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，右線施工引起的管廊豎向位移大于左線施工，二襯施工引起管廊豎向位移在3 個(gè)主要施工階段最小。

3） 右線上臺(tái)階和左線上臺(tái)階引起的管廊豎向位移較其他工序要大很多，是南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)保護(hù)的關(guān)鍵工序。

4） 現(xiàn)場監(jiān)測在暗挖施工中作用明顯，在14 號(hào)線暗挖區(qū)間下穿南水北調(diào)管廊過程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，及時(shí)調(diào)整了暗挖施工參數(shù)，確保了南水北調(diào)管廊結(jié)構(gòu)的安全，在類似穿越工程中，需重視現(xiàn)場監(jiān)測的作用。