復(fù)合地層大直徑泥水盾構(gòu)施工對鄰近管道的影響分析

摘要：文章針對新建京張鐵路JZSG-1標(biāo)段清華園隧道2#～1#盾構(gòu)區(qū)間熱力管道近接穿越工程，借助數(shù)值仿真手段，并結(jié)合現(xiàn)場記錄的掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)，對復(fù)合地層大直徑泥水盾構(gòu)施工引起的鄰近管道的附加位移和內(nèi)力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：（1）盾構(gòu)近接穿越會導(dǎo)致鄰近管道產(chǎn)生不均勻的附加位移。（2）盾構(gòu)施工引起的地面沉降槽寬度相較管道沉降區(qū)段的長度要窄，且隧道軸線處地面沉降量要明顯大于管道最大沉降。（3）管道上下端面產(chǎn)生的縱向位移存在一定差異，在正向位移區(qū)段，管道近洞室側(cè)的位移要大于另一側(cè)，負(fù)向位移區(qū)段則不然。（4）盾構(gòu)近接穿越會導(dǎo)致鄰近管道下端面出現(xiàn)一定程度的受拉破壞，應(yīng)對其實(shí)施必要的保護(hù)措施。

[基金項目]中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃課題（項目編號：2017G007-B）;中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)公司技術(shù)開發(fā)項目（項目編號：ZT14-大盾構(gòu)公司-JZTL-QT-2018-0016）

[作者簡介]劉磊（1985—），男，本科，工程師，注冊城鄉(xiāng)規(guī)劃師，主要從事城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)技術(shù)工作。

隨著城市交通隧道的加快建設(shè)，盾構(gòu)機(jī)不可避免地需要近接各類市政管道或地面建筑物基礎(chǔ)施工[1]，此過程勢必會對既有構(gòu)筑物產(chǎn)生一定影響。地下管線作為城市的生命線，過大的附加位移和內(nèi)力會導(dǎo)致管線出現(xiàn)斷裂、爆管等危害[2]，安全平穩(wěn)地完成下穿施工尤為重要。針對近接問題，國內(nèi)專家學(xué)者開展了大量研究工作，如張治國等[3]提出類矩形盾構(gòu)隧道施工引起的鄰近地下管線變形的簡化計算方法;可文海等[4]利用Pasternak模型對盾構(gòu)接近施工引起的管-土相互作用進(jìn)行了模擬;高冰[6]基于地層損失率，研究了盾構(gòu)下穿施工對上部給水管道的變形影響;王德勇等[5]、石超[7]依托地鐵實(shí)際工程，分析研究了砂卵石地層盾構(gòu)下穿既有管線的施工工藝;張洪耀等[8]以某雨水管道與隧道交匯工程為依托，分析了淺埋暗挖法施工對于鄰近管道變形與受力的影響。本文依托新建京張鐵路JZSG-1標(biāo)段清華園隧道2#～1#盾構(gòu)區(qū)間熱力管道近接穿越工程，借助數(shù)值仿真手段，并結(jié)合現(xiàn)場記錄的掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)，對復(fù)合地層大直徑泥水盾構(gòu)施工引起的鄰近管道的附加變形和內(nèi)力進(jìn)行研究，以期為同類工程施工提供一定參考。

1 工程概況

新建京張鐵路JZSG-1標(biāo)段位于北京市海淀區(qū)，正線全長10.487 km。標(biāo)段自北京北站向北引出，并行地鐵13號線東側(cè)敷設(shè)，于DK13+400處進(jìn)入清華園隧道。隧道包含3#～2#和2#～1#兩段盾構(gòu)區(qū)間，其中2#～1#盾構(gòu)區(qū)間由2#豎井2a始發(fā)井始發(fā)，向南至1#接收井接收，其間先后下穿知春路、北三環(huán)路、學(xué)院南路。2#～1#區(qū)間線路平面如圖1所示。2#～1#區(qū)間長2 707.5 m，采用2臺Ф12.64 m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道采用全預(yù)制管片拼裝，設(shè)計強(qiáng)度C50，管片外徑12.2 m，內(nèi)徑11.1 m，管片環(huán)寬2 m。

北三環(huán)路下方、隧道上方有一熱力管道。熱力管道尺寸為4 400 mm×2 800 mm，位于隧道拱頂上方2.65 m，屬近距離穿越。下穿區(qū)域地質(zhì)情況如圖2所示。隧道開挖斷面地質(zhì)不均，由上至下依次為粉土、粉質(zhì)黏土及卵石土，為上軟下硬地層。

2 三維有限元數(shù)值模擬

2.1 模型建立

為探究上軟下硬復(fù)合地層條件下大直徑盾構(gòu)施工對鄰近管道的影響，利用有限元分析軟件MIDAS/GTS模擬盾構(gòu)施工過程。考慮模型邊界的影響，隧道外圍土體取3倍洞徑[9]，建立模型尺寸為60 m×105 m×75 m（長×寬×高），范圍內(nèi)地層由上至下依次為粉質(zhì)黏土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土及卵石土夾/互層。建立模型如圖3所示。

2.2 模型參數(shù)確定

模型計算過程中，管片襯砌及熱力管道均視作線彈性體，即采用彈性本構(gòu)模型，范圍內(nèi)地層則采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，此次計算除盾殼外均采用實(shí)體單元來模擬。有關(guān)土層模量，工程地質(zhì)勘查資料僅提供壓縮模量，根據(jù)現(xiàn)有研究及工程規(guī)律，并借鑒北京地區(qū)相關(guān)工程，計算所需的彈性模量取為相應(yīng)土層壓縮模量的3倍[10]。

襯砌環(huán)內(nèi)管片之間以及各襯砌環(huán)之間通常采用螺栓連接，為考慮管片接頭對于結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，橫向剛度折減系數(shù)取為0.7[11]，清華園隧道C50管片混凝土的彈性模量為34.5 GPa。熱力管道的管壁混凝土的強(qiáng)度等級為C30，對應(yīng)模量為30.0 GPa。此次計算所涉及的模型參數(shù)如表1、表2所示。

2.3 盾尾空隙的模擬

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾尾通常存在一定空隙，包括超挖引起的孔隙及操作空隙[12]，其存在形式受到盾構(gòu)機(jī)自重的影響而呈現(xiàn)圖4（a）所示的盾尾空隙。由于盾尾注漿材料與周圍土體的相互作用較為復(fù)雜，且現(xiàn)有技術(shù)難以直接觀測注入漿液的擴(kuò)散情況，施工模擬時，需對盾尾空隙進(jìn)行簡化處理。此次計算采用均質(zhì)、等厚的等代層來模擬，如圖4（b）所示。模型建立時，預(yù)設(shè)等代層單元，等代層厚度需對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋調(diào)整，以使施工影響盡量匹配現(xiàn)場情況。經(jīng)反復(fù)試算后，等代層厚度取為20 cm。

2.4 掘進(jìn)過程的模擬

采用應(yīng)力釋放的方式來模擬盾構(gòu)施工引起的地層擾動[13]。開挖一環(huán)土體后，計算一循環(huán)步產(chǎn)生的不平衡力，將所獲取的不平衡力乘以一定系數(shù)后反加于開挖界面處的節(jié)點(diǎn)，并計算至平衡狀態(tài)。管片襯砌激活前，荷載釋放系數(shù)LDF取為0.1，激活后調(diào)整為0.9。

在MIDAS/GTS中難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，故對掘進(jìn)過程進(jìn)行拆解、簡化，假定此過程分段連續(xù)，即一步開挖至工作面。通過改變預(yù)設(shè)單元的材料屬性，來模擬盾構(gòu)的掘進(jìn)過程，掘進(jìn)步距對應(yīng)管片環(huán)寬，即每次掘進(jìn)一環(huán)管片的寬度。

盾構(gòu)施工模擬過程如下：①初始地應(yīng)力場生成;②位移場清除，鈍化管道空腔部分單元，并激活管壁單元屬性;③位移場清除;④盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞，激活盾殼單元屬性，施加掌子面泥水壓力;⑤重復(fù)步驟④直至盾體完全置入地層中;⑥盾構(gòu)正常掘進(jìn)，激活盾殼單元屬性，施加掌子面泥水壓力，移除上一步盾尾單元屬性;⑦重復(fù)步驟⑥施加盾尾第二環(huán)注漿壓力;⑧重復(fù)步驟⑦移除盾尾第三環(huán)注漿壓力，激活盾尾第三環(huán)注漿層并拼裝管片;⑨重復(fù)步驟⑧直至盾構(gòu)機(jī)出洞。

此次計算不考慮同步注漿漿液的硬化過程，即假定一次凝固。實(shí)際施工中，注漿壓力的選定與所處的地質(zhì)環(huán)境、隧道埋深以及注漿材料相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場記錄的掘進(jìn)參數(shù)（圖5），注漿壓力設(shè)定為390 kPa;泥水壓力則盡量匹配現(xiàn)場變化規(guī)律，即施以較小的壓力穿越北三環(huán)路。

3 計算結(jié)果分析

3.1 管道附加位移

圖6～圖8為盾構(gòu)施工引起的管道附加位移云圖及位移簡圖。由圖6可知，盾構(gòu)近接穿越后，管道產(chǎn)生豎向不均勻位移，最大沉降位于隧道軸線上方與管道交叉截面，位移量為10.22 mm;位移由交叉截面向兩側(cè)逐漸減小至位移為零，繼而轉(zhuǎn)為向上位移，最大隆起量為9.62 mm。位移零點(diǎn)距交叉截面約為1.5D，即管道沉降區(qū)段長約3.0D。由文獻(xiàn)[14]，沉降槽的寬度系數(shù)i可按式（1）計算。代入表1數(shù)據(jù)，求得管道位置地面沉降槽系數(shù)z/i為1.808、1.955，隧道拱頂距離地面約為10.43 m。據(jù)此，管道位置地面沉降槽寬度明顯要小于管道沉降區(qū)段的長度。隧道軸線處的地面沉降量可由式（2）求得，Vs為單位開挖進(jìn)尺引起的地層損失率。北大直徑盾構(gòu)隧道施工的地層損失率平均值為0.40[15]，求得Smax為17.5～18.9 mm，明顯大于管道最大沉降。管道位置地面沉降槽寬度、最大沉降量與管道沉降區(qū)段的長度、最大沉降量的關(guān)系與可文海等[4]提出的管-土相互作用模型基本一致。

式中：z為隧道中心至地面的距離;φ為隧道洞周范圍地層的內(nèi)摩擦角。

由圖7可知，盾構(gòu)近接穿越后，管道產(chǎn)生縱向不均勻位移，最大縱向位移位于隧道軸線上方與管道交叉截面的下側(cè)，位移量為3.92 mm;位移由交叉截面向兩側(cè)逐漸減小至位移為零，繼而轉(zhuǎn)為掘進(jìn)反方向位移，最大負(fù)向位移出現(xiàn)在最邊緣上側(cè)，位移量為1.09 mm。位移零點(diǎn)距交叉截面約為2.5D，即管道正向位移區(qū)段（與掘進(jìn)方向一致）長約5.0D。與前述豎向位移不同，管道上下端面產(chǎn)生的縱向位移存在一定差異。在正向位移區(qū)段，管道近洞室側(cè)的位移要大于另一側(cè)，負(fù)向位移區(qū)段則不然，可認(rèn)為鄰近管道在空間上產(chǎn)生正向傾轉(zhuǎn)。

由圖8可知，盾構(gòu)近接穿越后，管道產(chǎn)生橫向不均勻位移，最大橫向位移位于隧道兩側(cè)邊墻與管道交叉截面，兩側(cè)最大位移量在1.79 mm左右;管道上下端面位移特征方向互異，上端面交叉截面兩側(cè)向隧道靠攏，下端面則遠(yuǎn)離隧道。這是因為管道在產(chǎn)生圖6所示豎向位移后，隧道軸線上方一定區(qū)域管道截面（如截面2）承受剪力較小，截面受剪歪斜程度較小，往兩側(cè)剪力逐漸增大，截面受剪歪斜程度加重，進(jìn)而呈現(xiàn)上述位移特征。

3.2 管道附加內(nèi)力

圖9～圖11為盾構(gòu)施工引起的管道附加內(nèi)力云圖。由圖9可知，盾構(gòu)近接穿越后，管道產(chǎn)生豎向不均勻內(nèi)力，且管壁轉(zhuǎn)角處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力為6.59 MPa，最大拉應(yīng)力為3.26 MPa。C30混凝土的容許壓應(yīng)力[σb]=10.0 MPa，容許拉應(yīng)力[σtp-1]=1.98 MPa，其中[σtp-1]<3.26 MPa，即管道出現(xiàn)局部的受拉破壞。由圖10可知，管道產(chǎn)生縱向不均勻內(nèi)力，且上端面變截面處存在應(yīng)力激增現(xiàn)象，最大壓應(yīng)力為5.22 MPa，不超過C30混凝土的容許壓應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為4.83 MPa，超過C30混凝土的容許拉應(yīng)力。

由圖11可知，盾構(gòu)近接穿越后，管道產(chǎn)生橫向不均勻內(nèi)力，最大壓應(yīng)力為8.21 MPa，位于交叉截面的上側(cè)，不超過C30混凝土的容許壓應(yīng)力;最大拉應(yīng)力為9.52 MPa，位于交叉截面的下側(cè)，明顯超過C30混凝土的容許拉應(yīng)力，管道下端面出現(xiàn)一定程度的受拉破壞。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)對其實(shí)施必要的保護(hù)措施，如攪拌加固、注漿加固等。

4 結(jié)論

本文以清華園隧道2#～1#盾構(gòu)區(qū)間熱力管道近接穿越工程為依托，借助數(shù)值仿真手段，對復(fù)合地層大直徑泥水盾構(gòu)施工引起的鄰近管道的附加變形和內(nèi)力進(jìn)行了研究，得到主要結(jié)論：

（1）盾構(gòu)近接穿越會導(dǎo)致鄰近管道產(chǎn)生不均勻的附加位移，豎向上由隧道軸線往兩側(cè)先沉降，繼而隆起，管道沉降區(qū)段長約3.0D;縱向上由隧道軸線往兩側(cè)先正向，繼而負(fù)向，管道正向位移區(qū)段長約5.0D;橫向上管道上下端面位移特征方向互異，上端面兩側(cè)向隧道靠攏，下端面則不然。

（2）盾構(gòu)施工引起的地面沉降槽寬度相較管道沉降區(qū)段的長度要窄，且隧道軸線處地面沉降量要明顯大于管道最大沉降。

（3）管道上下端面產(chǎn)生的縱向位移存在一定差異，在正向位移區(qū)段，管道近洞室側(cè)的位移要大于另一側(cè)，負(fù)向位移區(qū)段則不然。

（4）盾構(gòu)近接穿越會導(dǎo)致鄰近管道下端面出現(xiàn)一定程度的受拉破壞，應(yīng)對其實(shí)施必要的保護(hù)措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 李凱.近接工程施工對既有建筑物的影響分析[J].建筑施工，2019，41（2）：324-326.

[2] 任艷榮.地鐵盾構(gòu)施工與地下管線的相互作用研究現(xiàn)狀及其展望[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2011，27（4）：53-56.

[3] 張治國，師敏之，張成平，等.類矩形盾構(gòu)隧道開挖引起鄰近地下管線變形研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2019，38（4）：852-864.

[4] 可文海，管凌霄，劉東海，等.盾構(gòu)隧道下穿管道施工引起的管-土相互作用研究[J].巖土力學(xué)，2020，41（1）：221-228+234.

[5] 王德勇，趙東平，艾小楊，等.砂卵石地層大直徑盾構(gòu)始發(fā)下穿管線群施工技術(shù)——以成都軌道交通17號線溫明區(qū)間盾構(gòu)工程為例[J].隧道建設(shè)（中英文），2020，40（S2）：256-263.

[6] 高冰.基于地層損失率的蘇州地鐵3號線下穿給水管道變形影響研究[J].施工技術(shù)，2018，47（S1）：584-586.

[7] 石超.砂卵石復(fù)合地層盾構(gòu)下穿大直徑供水管線施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2020（9）：116-121.

[8] 張洪耀，張勛，寧波，等.黃土中淺埋隧道施工對臨近管道的影響分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（S1）：2153-2158.

[9] 胡愈， 姚愛軍， 張劍濤， 等.地鐵盾構(gòu)施工對上覆平行雨污管道影響的試驗和數(shù)值分析[J].隧道建設(shè)（中英文）， 2018， 38（5）： 797-804.

[10] 于麗鵬.基于FLAC～（3D）模擬的土體彈性模量取值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報， 2014， 12（2）： 162-166.

[11] 汪洋， 何川， 曾東洋， 等.盾構(gòu)隧道正交下穿施工對既有隧道影響的模型試驗與數(shù)值模擬[J].鐵道學(xué)報， 2010， 32（2）： 79-85.

[12] 朱才輝， 李寧， 柳厚祥， 等.盾構(gòu)施工工藝誘發(fā)地表沉降規(guī)律淺析[J].巖土力學(xué)， 2011， 32（1）： 158-164.

[13] 張斌.基于應(yīng)力釋放的大直徑盾構(gòu)隧道地表沉降分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2020， 64（1）： 137-142.

[14] 紀(jì)梅，謝雄耀.大直徑土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2012，8（1）：161-166+197.

[15] 吳昌勝，朱志鐸.不同直徑盾構(gòu)隧道地層損失率的對比研究[J].巖土工程學(xué)報，2018，40（12）：2257-2265.