合肥地鐵淺埋暗挖隧道施工對鄰近管線的影響

裴子鈺 周仕波 馬明杰 楊新安

(1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，100037，北京； 2.合肥市軌道交通集團(tuán)有限公司，230001，合肥；3.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海；4.同濟(jì)大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，201804，上海∥第一作者，工程師)

由于市區(qū)建筑物眾多且地下管網(wǎng)密集，地鐵隧道建設(shè)施工受到日益復(fù)雜的周圍環(huán)境條件制約。目前，國內(nèi)外關(guān)于地鐵施工對鄰近地下管線的影響問題已有一定的研究，其分析方法大致可分為數(shù)學(xué)解析法、模型試驗法及數(shù)值模擬法三類，而數(shù)值模擬法的優(yōu)點是可以建立真實反映工程實際情況的模型。文獻(xiàn)[1]利用FLAC3D有限差分法軟件建立了隧道-土體-地下管線三維數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)土質(zhì)、管道材質(zhì)、管道直徑、管道埋深和管隧水平間距等因素對埋管沉降有較為明顯的影響。文獻(xiàn)[2-3]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及有限元分析模型對平行于區(qū)間隧道的地下管線變形受力進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)管道沉降趨勢與地面沉降趨勢相吻合，隧道開挖初期土體擾動對上部管線沉降影響較大，開挖速度、施工方法和支護(hù)襯砌的封閉則是影響后期開挖過程中管線沉降的重要因素。但目前的研究多針對某一特定工程，缺少對某一特定地區(qū)宏觀范圍的總結(jié)。

本文以合肥地鐵2號線淺埋暗挖隧道工程為例，采用Abaqus有限元軟件分析地鐵隧道施工對鄰近管線受力變形的影響，并根據(jù)合肥地區(qū)管線沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及2號線現(xiàn)場實測結(jié)果，總結(jié)合肥地區(qū)各因素影響下的管線變形超限工況。

1 合肥地區(qū)典型地層及管線情況

合肥地區(qū)地質(zhì)條件較為復(fù)雜，區(qū)內(nèi)地面大都為第四系地層所覆蓋。第四系地層厚度一般為10～20 m，第四系沉積物厚度、分布受地貌和基底控制。南淝河河漫灘與一級階地為全新統(tǒng)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土及粉細(xì)砂層，二級階地上廣泛出露上更新統(tǒng)黏土，中、下更新統(tǒng)粉土夾砂層位于全新統(tǒng)與上更新統(tǒng)之下?；子傻谌怠①_系泥巖、砂巖組成。其中，上更新統(tǒng)黏土分布最廣，全新統(tǒng)黏土次之。根據(jù)文獻(xiàn)[4-6]及多份地鐵工程地質(zhì)勘查報告，合肥地區(qū)典型地層特征如表1所示。

表1 合肥地區(qū)典型地層特征Tab.1 Typical stratigraphic characteristics of Hefei area

城市地下管線結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多，按照其用途不同一般可以分為給水管道、排水管道、燃?xì)夤艿?、熱力管道、電力管線、電信管線、工業(yè)管道和油氣管道八大類；按照材質(zhì)不同則可以分為鋼管、混凝土管、鑄鐵管、PVC(聚氯乙烯)/PE(聚乙烯)管等。合肥地區(qū)采用的管線沉降控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：有壓管線或重要管線的沉降需控制在10 mm以內(nèi)，無壓雨水、污水管沉降控制在20 mm以內(nèi)，無壓其他管線沉降控制在30 mm以內(nèi)。合肥地區(qū)地下管線性質(zhì)如表2所示。

表2 合肥地區(qū)地下管線性質(zhì)Tab.2 Underground pipeline properties of Hefei area

2 隧道開挖對鄰近管線的影響因素分析

2.1 工況分析

隧道開挖對管線受力變形的主要影響因素為管線自身因素(管材、管徑)、地層因素(管線所處地層、隧道所處地層)、管線與隧道相對位置因素(相交角度、相對距離)和隧道施工因素(開挖工法)，詳見表3。

表3 影響管線受力變形的主要因素及其細(xì)分類別

由于管線埋深較淺，隧道基本都是下穿既有管線，因此，為建立與實際更為接近的分層地基有限元模型，將土層分為管線所處土層、隧道所處土層和隧道下臥土層。地層斷面分布示意圖如圖1所示。為簡化計算且不失一般性，本文選取的模型參數(shù)為：隧道埋深為6 m，斷面型式為直墻拱形，隧道跨度為6 m，隧道凈高為3.5 m，隧道開挖進(jìn)尺為2 m。采用控制變量法定性定量地分析相關(guān)主要因素對管線受力變形的影響規(guī)律。

圖1 地層斷面分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of stratum section distribution

2.2 建立計算模型

考慮計算效率及計算邊界的影響，模型橫向長度(x方向)取為60 m，模型縱向長度(y方向)取為30 m，模型豎向高度(z方向)取為35 m。為了提高管線和隧道附近區(qū)域的計算精度，對管線及隧道部分的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，有限元網(wǎng)格的單元總數(shù)為48 635。在模型的x向邊界面與y向邊界面施加水平約束，在模型底部邊界面施加豎向約束，頂部邊界面為自由面。三維計算模型如圖2所示。隧道襯砌及周圍巖土體采用實體單元模擬，單元類型選擇C3D8R單元，采用減縮積分計算。襯砌本構(gòu)模型采用線彈性模型，巖土體本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型。地層及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如表4所示。

圖2 三維計算模型Fig.2 Three-dimensional calculation model

表4 地層、結(jié)構(gòu)及材料相關(guān)參數(shù)取值

Abaqus軟件雖提供了PSI(管-土相互作用單元)，但該單元將管-土位移視為連續(xù)，不能真實反映隧道開挖過程中埋地管道與管周土體的相對變形關(guān)系。因此，本文引入接觸面功能來解決管-土接觸問題，通過定義主從接觸面和接觸面上的相互作用來模擬不同材質(zhì)的接觸面，法向接觸采用硬接觸，切向接觸采用罰函數(shù)摩擦類型。

分析管材因素影響時，需分析不同剛度的管線接頭。將管線分為剛性和柔性接頭兩種。對于剛性接頭管線，將其看作是剛度一致的連續(xù)管線，一般較為簡單。而對于柔性接頭管線則將其看作需要模擬接頭性質(zhì)的非連續(xù)管線。Abaqus軟件中，可以通過定義連接單元模擬柔性接頭，即：將管線分為若干管節(jié)，使用2節(jié)點連接單元在管節(jié)之間建立連接，并采用耦合約束將各節(jié)點和對應(yīng)管節(jié)橫截面的運動約束在一起，再通過定義連接屬性描述接頭間的相互作用和約束關(guān)系。

對不同隧道開挖工法的模擬，則是按照實際施工過程，采用軟化模量法，在相互作用模塊對開挖分析步下的模型改變類型進(jìn)行設(shè)置，移除預(yù)先劃分好的隧道開挖部分的實體單元。

2.3 管線受力變形影響因素分析

2.3.1 管線自身因素

控制地層組合為①1+④2+⑧1，管底埋深為3 m。在與隧道垂直的情況下，不同材質(zhì)及管徑的管線沉降和管線軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：4種材質(zhì)管線的沉降排序為鋼管沉降<球磨鑄鐵管沉降<混凝土管沉降球磨鑄鐵管軸向拉應(yīng)力>混凝土管軸向拉應(yīng)力>PVC管軸向拉應(yīng)力。隨著管線自身彈性模量的增大，受隧道開挖影響產(chǎn)生的管線沉降逐漸減小，但軸向拉應(yīng)力逐漸增大。對于管徑為600～1 200 mm的管線而言，隨著管徑的增大，管線沉降和管線軸向拉應(yīng)力都表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢，且減小的速率也在逐漸降低。主要原因是隨著管徑的增大，管線抗彎剛度也隨之增大，導(dǎo)致管線抵抗地層變形的能力有所增強(qiáng)。對于彈性模量差異最大的鋼管和PVC管，沉降差都約為9.67 mm，軸向拉應(yīng)力差都約為20.19 MPa。由此可以看出，不同材質(zhì)管線的沉降值差異相對較小，而軸向拉應(yīng)力值差異較大。當(dāng)管徑從600 mm增大到1 200 mm時，4種材質(zhì)管線的沉降量都約減小了6.50 mm，軸向拉應(yīng)力都約減小了8.02 MPa。

圖3 不同材質(zhì)及管徑的管線沉降和軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果

2.3.2 地層因素

控制管線的管徑為1 000 mm的鋼管，管底埋深為3 m，管線與隧道垂直的情況下，計算不同管線及隧道所處地層的管線沉降和軸向拉應(yīng)力。根據(jù)計算結(jié)果：管線所處地層對管線受力變形的影響較為顯著；隧道所處地層為④2的管線沉降和軸向拉應(yīng)力非序為①1地層管線沉降和軸向拉應(yīng)力>②3地層管線沉降和軸向拉應(yīng)力>④2地層管線沉降和軸向拉應(yīng)力；管線沉降為8.23～11.24 mm，軸向拉應(yīng)力為17.42～22.26 MPa。隧道所處地層對管線受力變形的影響相對較小，控制管線所處地層為①1，則兩種地層的管線沉降和軸向拉應(yīng)力排序為④2地層管線沉降和軸向拉應(yīng)力>⑥2地層管線沉降和軸向拉應(yīng)力；管線沉降為10.68～11.24 mm，軸向拉應(yīng)力為20.78～22.26 MPa。

2.3.3 管線與隧道相對位置因素

控制地層組合為①1+④2+⑧1，管線為管徑為1 000 mm的鋼管。不同管隧垂直距離、水平距離和相交角度情況下的管線沉降和管線軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果如圖4—圖6所示。隨著管線埋深的增加，管線沉降和軸向拉應(yīng)力值也隨之增大。管底埋深從2 m增大到5 m時，管隧垂直距離從4 m減小到1 m，管線沉降增加了10.31 mm，管線軸向拉應(yīng)力增加了24.66 MPa。管隧水平距離在0～12 m(2倍隧道跨度)范圍內(nèi)變化時，管線沉降和軸向拉應(yīng)力隨水平距離的增加而減小，其中管線沉降減小了8.24 mm，軸向拉應(yīng)力減小了13.45 MPa；超過1.5倍隧道跨度后，曲線趨于平緩，管線響應(yīng)幾乎不再發(fā)生變化。

圖4 不同管隧垂直距離下管線沉降和軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果

圖5 不同管隧水平距離下管線沉降和軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果

圖6 不同管隧相交角度下管線沉降和軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果

2.3.4 隧道施工因素

控制地層組合為①1+④2+⑧1，管線為管徑為1 000 mm的鋼管，管底埋深為3 m。管線與隧道垂直的情況下，不同隧道施工工法的管線沉降和軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果如表5所示。由表5可知，隧道施工工法對管線受力變形的影響較為明顯，其中臺階法產(chǎn)生的沉降和軸向拉應(yīng)力最大，分別為13.33 mm和27.35 MPa。

表5 不同隧道施工工法的管線沉降和軸向拉應(yīng)力計算結(jié)果

相比于管線自身條件、地層條件及管隧相對位置，隧道施工工法屬于可控因素，可根據(jù)實際管線與隧道情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。即當(dāng)其他三類因素處于對管線受力變形不利的情況時，可以對施工方案進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以達(dá)到保護(hù)管線的目的。

3 基于現(xiàn)場實測的管線變形分析

以合肥地鐵2號線的6個暗挖通道及其上部管線為研究對象。選取種類多樣且受隧道施工影響較大的管線，并剔除監(jiān)測數(shù)據(jù)誤差較大的管線，共確定15條監(jiān)測管線。繪制管線材質(zhì)、管隧垂直距離、管隧相交角度和管線所處地層4個因素影響下的管線沉降時程曲線。

不同管線材質(zhì)的管線沉降時程曲線如圖7所示。由圖7可知，管線沉降的現(xiàn)場實測結(jié)果與計算結(jié)果較為接近。圖7僅針對管線材質(zhì)進(jìn)行了分析，其他因素導(dǎo)致的管線沉降差距較大，所以管線沉降變化范圍較大。鋼管、混凝土管、PVC管、鑄鐵管的最終沉降值變化區(qū)間依次為7.59～17.95 mm、10.75～16.70 mm、13.31～22.50 mm、10.73～18.62 mm。

圖7 不同管線材質(zhì)的管線沉降時程曲線Fig.7 Time-history curve of pipeline settlement for different pipeline materials

選取3條管徑、地層因素差別不大的PVC管，對管隧垂直距離分別為1.76 m、2.67 m、3.41 m的管線進(jìn)行比較，其管線沉降時程曲線如圖8所示。由圖8可知：管隧間距為1.76 m、2.67 m、3.41 m的管線最終沉降值分別為-22.50 mm、-16.29 mm、-13.31 mm；與隧道距離越近的管線，受隧道施工影響越嚴(yán)重，必須采取適當(dāng)?shù)墓芫€保護(hù)措施以防止管線變形超限。

圖8 不同管隧垂直距離的管線沉降時程曲線

選取與隧道分別處于斜交和垂直狀態(tài)的4條PVC管和鋼管進(jìn)行比較。不同管隧相交角度的管線沉降時程曲線如圖9所示。由圖9可知：鋼管和PVC管在斜交和垂直兩種位置下的管線最終沉降值分別為-7.59 mm和-8.02 mm，-19.14 mm和-22.50 mm；不同管隧相交角度對管線變形有一定影響，但其影響有限，且在管隧垂直狀態(tài)下，管線沉降最大。

圖9 不同管隧相交角度的管線沉降時程曲線

選取分別位于①1、②3和④2這3種土層且其他因素差別不大的3條混凝土管進(jìn)行比較。不同管線所處地層的管線沉降時程曲線如圖10所示。由圖10可知：管線最終沉降值分別為-16.40 mm、-14.90 mm和-10.75 mm；埋置于土性越好土層中的管線，其沉降越小。

圖10 不同管線所處地層的管線沉降時程曲線

4 結(jié)論

1) 將隧道開挖對管線受力變形的主要影響因素總結(jié)為四類：管線自身因素(管材、管徑)、地層因素(管線所處地層、隧道所處地層)、管線與隧道相對位置(管隧相交角度、管隧間距)和隧道施工因素(隧道開挖工法)。

2) 4種材質(zhì)管線的沉降排序為：鋼管沉降<球磨鑄鐵管沉降<混凝土管沉降球磨鑄鐵管軸向拉應(yīng)力>混凝土管軸向拉應(yīng)力>PVC管軸向拉應(yīng)力。管線所處地層對管線受力變形的影響較為顯著，隧道所處地層對管線受力變形的影響相對較小。隨著管徑的增大，或是管隧相對距離的增大，管線沉降和管線軸向拉應(yīng)力均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

3) 結(jié)合合肥地區(qū)的管線沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，需重點關(guān)注4種可能出現(xiàn)的典型工況及其組合：管徑小于800 mm的PVC管和混凝土管和管徑小于600 mm的鋼管和鑄鐵管；管隧垂直間距在2 m以內(nèi)且管隧水平間距在1.5倍隧道跨度內(nèi)的管線；跨度大于8 m但未采用六部CRD法開挖的隧道的鄰近管線；處于①1、②3地層中的管線。對此應(yīng)引起格外重視，施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，必要時可采取管線保護(hù)措施。