南昌地鐵地下多管線近鄰地鐵人行通道的施工影響分區(qū)

吳波, 鄭衛(wèi)強(qiáng), 郭方雨, 徐世祥, 萬(wàn)友生, 覃君, 朱文華

(1.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院, 南昌 330013; 2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 南寧 530004; 3. 南昌軌道交通集團(tuán)有限公司地鐵項(xiàng)目管理分公司, 南昌 330038; 4. 中鐵二局第六工程有限公司, 成都 610083)

隨著城市地鐵的快速發(fā)展,地鐵隧道的建設(shè)對(duì)周邊近鄰管線難免產(chǎn)生影響。其中,地鐵車站人行道通常因埋深較淺而采用淺埋暗挖法施工,并且人行道周圍多遍布給排水管與通信電纜等城市供給的生命線。因此,研究地鐵人行通道施工對(duì)周邊多管線變形影響研究具有重要價(jià)值。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)理論分析法[1-4]、模型試驗(yàn)法[5-7]、數(shù)值模擬法[8-11]等對(duì)隧道開挖影響管線變形進(jìn)行研究,積累了揭示管線變形機(jī)理的豐富經(jīng)驗(yàn)。目前,相關(guān)規(guī)范對(duì)隧道開挖影響分區(qū)由高至低主要分為三級(jí)[12]。石波等[13]采用強(qiáng)度折減法通過(guò)定義不同安全系數(shù)確定近鄰建筑的影響分區(qū)?；赑eck影響分區(qū)理論,孔杰等[14]將管線沉降值作為分區(qū)指標(biāo),采用數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合將盾構(gòu)隧道近鄰管線影響分區(qū)劃分為強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)、無(wú)影響區(qū)。詹濤等[15]運(yùn)用有限元軟件,分析了暗挖通道(隧道)近鄰管線的變形特性及影響因素,認(rèn)為主要影響因素為隧道洞徑、埋深、管線埋深、凈距。Yu等[16]認(rèn)為管線變形受外壓影響大于內(nèi)壓影響。魏綱等[17]通過(guò)研究隧道不同交叉角度開挖對(duì)近鄰管線影響,其中正交管線在隧道中心線處變形最大。影響分區(qū)管控措施研究多結(jié)合有限元軟件開展,陳志敏等[18]模擬斜交狀態(tài)下三臺(tái)階法、CD(center diaphragm)法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法不同工法隧道施工對(duì)近鄰管線的影響,其中雙側(cè)壁導(dǎo)坑法能夠較好地控制沉降變形。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外研究成果,較多研究偏向于暗挖隧道近鄰單一管線,但對(duì)于存在多管線的研究較少,且在近鄰工程的影響分區(qū)研究中對(duì)于管線研究鮮見報(bào)道。因此,依托南昌地鐵3號(hào)線鄧埠站出入口人行通道暗挖工程,考慮圍巖條件、近接距離、交叉角度和施工工法等影響因素,借助FLAC3D有限差分軟件建立三維數(shù)值模型,分析通道暗挖擾動(dòng)效應(yīng)下的近鄰多管線力學(xué)響應(yīng)特性,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析管線的變形規(guī)律,得出密集管線的影響分區(qū)標(biāo)準(zhǔn),為類似工程提供參考。

1 工程背景

南昌地鐵3號(hào)線鄧埠站1號(hào)出入口通道位于迎賓大道與陽(yáng)光路交匯處,通道結(jié)構(gòu)斷面形式為直墻拱頂,開挖寬度為8.3 m,開挖高度為6 m。為保障施工安全、控制地表與管線變形,隧道采用CRD(cross diaphragm)法施工。由圖1可知,施工區(qū)域涉及地層由上而下為:人工填土層、第四系上更新統(tǒng)沖積層(粉質(zhì)黏土層、中砂層、粗砂層、礫砂層),圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。隧道穿越密集管線區(qū)暗挖施工長(zhǎng)度12.8 m,覆土厚土約為4.2 m。依次穿越上部緊鄰密集管線為DN500混凝土污水管埋深3.55 m;DN1500混凝土雨水管埋深3.27 m;DN800給水管埋深2.5 m;300 mm×300 mm的9孔弱電壓通信電纜埋深2.38 m。DN500混凝土污水管溝和DN1500混凝土雨水管道分布于交通疏解道路下方。

圖1 隧道與密集地下管線空間關(guān)系Fig.1 Spatial relationship between passageway and dense underground pipeline

2 數(shù)值計(jì)算方案

2.1 模型建立

采用Flac3D軟件建立通道暗挖段模型。在考慮計(jì)算資源的基礎(chǔ)上,為使計(jì)算模型盡可能接近實(shí)際土層的半無(wú)限空間用以減小邊界效應(yīng)。因此,模型尺寸定為50 m×12.8 m×25 m。圍巖、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)、管線均采用實(shí)體單元。各管線與地鐵隧道暗挖正交,模型側(cè)面與底面為固定邊界,限制這五個(gè)面的法向位移,頂面實(shí)是地面,設(shè)為開放邊界。建立模型如圖2所示。模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)取值如表1、表2所示。

表1 模型計(jì)算物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 1 Physical and mechanical parameters of support structure

表2 地下密集管線物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of pipeline

圖2 數(shù)值模型及密集管線圖Fig.2 Numerical model and dense pipeline diagram

為研究圍巖強(qiáng)度因素對(duì)管線變形的影響,計(jì)算模型中的圍巖假設(shè)為連續(xù)且均勻,結(jié)合實(shí)際工程中埋置管線的圍巖條件設(shè)立三種不同圍巖強(qiáng)度參數(shù),如表3所示。

表3 圍巖力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of surrounding rock

2.2 數(shù)值計(jì)算方案

影響隧道暗挖緊鄰密集管線變形響應(yīng)的主要因素為:管線與隧道凈距、交叉角度、圍巖參數(shù)與施工工法四種?；趯?shí)際地鐵車站出入口暗挖工程,設(shè)D為隧道跨度8.3 m。針對(duì)影響因素所包含的不同影響水平,不考慮額外注漿加固措施,劃分以下14種計(jì)算工況,具體如表4所示。管線與隧道的相交角度,如圖3所示。

表4 模擬計(jì)算工況Table 4 Simulated working conditions

圖3 管線與隧道交叉角度示意圖Fig.3 Diagram of crossing angle of pipeline and tunnel

3 影響分區(qū)

3.1 影響分區(qū)閾值確定

實(shí)際工程監(jiān)測(cè)最大最小主應(yīng)力較為困難,因此選取管線豎向位移值為影響分區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)。管線的沉降因素與其自身的材質(zhì)有關(guān),基于相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn),確定了本文中不同材料、管徑(邊長(zhǎng))的管線沉降標(biāo)準(zhǔn)。其中,通信電纜豎向位移30 mm,變化速率2 mm/d;給水管豎向位移10 mm,變化速率1 mm/d;污水管豎向位移20 mm,變化速率2 mm/d;雨水管豎向位移20 mm,變化速率2 mm/d。

參考文獻(xiàn)[12]中隧道影響分區(qū)的劃分方法,通過(guò)有機(jī)結(jié)合Peck沉降曲線分布特點(diǎn)與上述的管線豎向位移w控制標(biāo)準(zhǔn),提出地鐵隧道暗挖對(duì)近鄰密集管線影響分區(qū)劃分的閾值,如表5所示。

表5 基于位移準(zhǔn)則的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Zoning criteria based on displacement criteria

當(dāng)管線的豎向位移未達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)值的20%,此時(shí)則為無(wú)影響區(qū);當(dāng)管線的豎向位移未達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn)值的60%,此時(shí)則為弱影響區(qū);當(dāng)管線的豎向位移超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)值的60%,此時(shí)則為強(qiáng)影響區(qū),影響分區(qū)示意見圖4。

Wmax為管線豎向位移控制標(biāo)準(zhǔn)值; D為隧道直徑;Ⅰ為強(qiáng)影響區(qū);Ⅱ?yàn)槿跤绊憛^(qū);Ⅲ為無(wú)影響區(qū)圖4 管線影響分區(qū)圖Fig.4 Diagram of influence zone division

3.2 各因素下管線豎向位移分析

在緊鄰隧道暗挖施工作用下,管線的豎向位移響應(yīng)可視為多元非線性函數(shù)w(A、θ、λ、k)與近接度A(A=H/D即近接距離與隧道跨度的比值)、交叉角度θ、圍巖參數(shù)λ和施工工法k的有關(guān)。為求出此函數(shù),可以采用先求出單一影響因素的函數(shù)w(A)、w(θ)、w(λ)與w(k),然后可以得到管線的豎向位移響應(yīng)關(guān)于多個(gè)影響因素的多元非線性函數(shù)w(A、θ、λ、k)。經(jīng)數(shù)值計(jì)算后,各種工況下的各個(gè)管線的豎向位移響應(yīng)的最大值見表6。

表6 各工況下管線豎向位移最大值Table 6 Maximum vertical displacement of pipelines under various working conditions

3.3 管線沉降值關(guān)于單因素分析

沉降值單因素分析以給水管為例,闡述影響分區(qū)劃分方法。管線豎向位移關(guān)于近接距離的函數(shù)擬合。給水管豎向位移關(guān)于凈距的函數(shù)擬合以非線性指數(shù)函數(shù)y=Cebx+y0為擬合函數(shù),得

(1)

由圖5可知,管線豎向位移關(guān)于近接度的擬合曲線,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99,擬合的精確程度極高。

圖5 給水管豎向位移關(guān)于近接度的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of vertical displacement with respect to proximity

給水管線豎向位移關(guān)于交叉角度的函數(shù)擬合。以非線性指數(shù)函數(shù)y=Cebx+y0為擬合函數(shù),得到

(2)

由圖6可知,管線豎向位移關(guān)于交叉角度的擬合曲線,其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.95代表擬合的精確程度較高。

圖6 給水管豎向位移關(guān)于交叉角度的擬合曲線Fig.6 Fitting curve of vertical displacement with respect to crossing angle

給水管豎向位移關(guān)于圍巖參數(shù)的函數(shù)擬合為

(3)

式中:wt為工況9中的給水管豎向位移值,wt=43.64 mm;i=1,2,3分別為圍巖為類型1、類型2、類型3。

3.4 管線多因素?cái)M合函數(shù)

3.4.1 管線擬合函數(shù)轉(zhuǎn)化

通過(guò)求出的密集管線中給水管線關(guān)于不同影響因素的擬合函數(shù),其中管線豎向位移關(guān)于圍巖參數(shù)與施工參數(shù)的擬合曲線采用的是以工況9即密集管線與暗挖隧道的凈距按照實(shí)際工程中的距離考慮,密集管線與暗挖隧道的交叉角度為90°,圍巖參數(shù)為最弱圍巖類型一,施工工法采用的為CRD法時(shí)的豎向位移值為標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行函數(shù)擬合。為了后續(xù)得出管線豎向位移關(guān)于多因素的擬合函數(shù),現(xiàn)將各管線豎向位移關(guān)于凈距、交叉角度的擬合函數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)工況(工況9)的豎向位移值為固定參數(shù)的函數(shù)。

給水管豎向位移關(guān)于凈距與交叉角度的擬合函數(shù)轉(zhuǎn)化后的函數(shù)分別為

(4)

(5)

式中:wt為工況9中的給水管豎向位移值,wt=43.64 mm。

3.4.2 多因素?cái)M合函數(shù)

將前面各個(gè)管線豎向位移單因素轉(zhuǎn)化后的擬合函數(shù)分別與前面關(guān)于圍巖類型和工參數(shù)的系數(shù)相乘,則得到管線豎向位移關(guān)于多因素的擬合函數(shù)。

(1)給水管豎向位移關(guān)于多因素的擬合函數(shù)為

(6)

式(6)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=43.64 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.301,λ3=0.13;kj為施工參數(shù),k1=1.0,k2=1.426,k3=1.701;j為開挖方式分別代表CRD法、上下臺(tái)階法、全斷面法。

(2)通信電纜豎向位移關(guān)于多因素的擬合函數(shù)為

(7)

式(7)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=50.26 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.26,λ3=0.112;kj為施工參數(shù),k1=1.0,k2=1.288,k3=1.657。

(3)污水管豎向位移關(guān)于多因素的擬合函數(shù)為

(8)

式(8)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=47.08 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.309,λ3=0.126;kj為施工參數(shù),k1=1.0,k2=1.623,k3=1.692。

(4)雨水管豎向位移關(guān)于多因素的擬合函數(shù)為

(9)

式(9)中:wt為工況9中的通信電纜豎向位移值,wt=47.02 mm;λi為圍巖類型,λ1=1.0,λ2=0.299,λ3=0.119;kj為施工參數(shù),k1=1.0,k2=1.33,k3=1.721。

3.5 地鐵隧道暗挖對(duì)近鄰密集管線的影響分區(qū)劃分

為減小施工擾動(dòng)實(shí)際施工通常采用CRD工法。將暗挖隧道工程采用CRD法施工以及其他的影響因子設(shè)計(jì)值,將其代入擬合函數(shù)式(6)～式(9),得到上部土體中的管線豎向位響應(yīng)移值。根據(jù)位移準(zhǔn)則表5進(jìn)行影響分區(qū)的劃分,得到在施工方法與圍巖類型不變的情況下,隧道暗挖對(duì)管線影響強(qiáng)弱隨交叉角度與近接度變化的二維影響分區(qū)。從表7中可知,在同種施工工法下不同因素(圍巖類別、交叉角度)的影響分區(qū)表,其中A1、A2、A3、A4分別為通信電纜、給水管、污水管、雨水管的近接度。

表7 暗挖隧道以CRD法施工時(shí)的影響分區(qū)劃分Table 7 Division of influence zones of water supply pipe when the concealed tunnel is constructed by CRD method

(1)采用CRD法施工,作為柔性材質(zhì)的通信電纜的強(qiáng)影響區(qū)與弱影響區(qū)范圍,均比剛性材質(zhì)的其他管線小。

(2)密集管線在圍巖類型都為類型1的時(shí)候,同時(shí)存在強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)與無(wú)影響區(qū);密集管線在圍巖類型都為類型2的時(shí)候,給水管、污水管和雨水管存在強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)與無(wú)影響區(qū),而通信電纜只會(huì)存在弱影響區(qū)與無(wú)影響區(qū);密集管線在圍巖類型都為類型3的時(shí)候,雨水管仍然存在強(qiáng)影響區(qū)、弱影響區(qū)與無(wú)影響區(qū),污水管與雨水管存在弱影響區(qū)與無(wú)影響區(qū),而通信電纜和雨水管只有無(wú)影響區(qū)存在。

(3)在同為CRD法施工且圍巖類型都為類型1的條件下,在角度由0°～90°之間變化時(shí),只有通信電纜的強(qiáng)影響區(qū)分別減少了0.02D;給水管、污水管和雨水管的影響分區(qū)幾乎沒有改變。

(4)密集管線各管線在交叉角度為0°～90°時(shí),圍巖類型由類型1～類型3,隨著圍巖參數(shù)的提高,各管線的強(qiáng)影響區(qū)減少或消失,到了圍巖為類型3時(shí),大部分管線的強(qiáng)影響區(qū)都消失,由此可知近接距離后,隧道暗挖影響密集管線豎向位移響應(yīng)最大的因素為圍巖參數(shù),然后是引起圍巖擾動(dòng)大小的施工工法,最后為交叉角度。

4 應(yīng)用分析

4.1 影響分區(qū)劃分

基于南昌地鐵3號(hào)線鄧埠站1號(hào)出入口人行通道暗挖工程,對(duì)表7中各管線影響分區(qū)分析,綜合考慮圍巖選取類型1,交叉角度90°,開挖方式為CRD法,得到:通信電纜的強(qiáng)影響區(qū)為A<0.37,而其實(shí)際近接度A=0.222;給水管的強(qiáng)影響區(qū)為A<0.52,而其實(shí)際近接度A=0.218;污水管的強(qiáng)影響區(qū)為A<0.37,而其實(shí)際近接度A=0.148;雨水管的強(qiáng)影響區(qū)為A<0.48,而其實(shí)際近接度A=0.087。由此可知密集管線均處于強(qiáng)影響區(qū)之內(nèi),必須采取對(duì)策以保障管線安全。

采取措施前穿越暗挖隧道的密集管線皆處于強(qiáng)影響分區(qū)中,采取措施后的密集管線將不存在強(qiáng)影響分區(qū),效果對(duì)比(因密集管線的控制值不同,影響分區(qū)也不同,特選最敏感的管線進(jìn)行示意)見圖7。強(qiáng)弱影響區(qū)范圍的計(jì)算公式為

圖7 措施前后影響分區(qū)對(duì)比示意圖Fig.7 Comparison of impact zones of before and after taking measures

(10)

(11)

式中:i沉降槽寬度系數(shù);Scon管線沉降控制值;Smax暗挖隧道拱頂中線對(duì)應(yīng)的沉降值,可由Peck經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

4.2 采取措施前后效果分析

4.2.1 注漿數(shù)值計(jì)算模型

建立采取措施前后的數(shù)值模型,運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算,分析采取措施前后對(duì)密集管線的影響。未采取措施的模型只有暗挖斷面設(shè)計(jì)中所帶的超前小導(dǎo)管與大管棚注漿;采取的措施為WSS注漿加固網(wǎng)與袖閥管注漿加固,如圖8所示。

圖8 數(shù)值計(jì)算注漿加固區(qū)Fig.8 Diagram of grouting reinforcement area

實(shí)際工程中采用CRD法進(jìn)行施工,開挖順序?yàn)?左上導(dǎo)洞→2左下導(dǎo)洞→3右上導(dǎo)洞→4右下導(dǎo)洞,控制開挖進(jìn)尺為0.5 m,各導(dǎo)洞步距為4 m,在模型中的施工示意圖如圖9所示。

圖9 數(shù)值模擬施工步驟Fig.9 Numerical simulation of construction steps

4.2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

從管線的豎向位移響應(yīng)來(lái)分析采取措施前后管線影響分區(qū)的變化。未采取措施的管線豎向位移云圖如圖10(a)所示,各管線的最大位移基本在靠近隧道軸線的位置越靠近兩邊越小,控制點(diǎn)最大位移響應(yīng)超過(guò)50 mm,均已超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn);采取WSS注漿加固網(wǎng)與袖閥管注漿加固后的管線豎向位移云圖如圖10(b)所示,各管線的最大位移同樣也是在靠近隧道軸線的位置,越靠近兩邊越小,控制點(diǎn)最大位移10 mm左右,均未超過(guò)控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 管線豎向位移云圖Fig.10 Vertical displacement cloud picture of pipeline

分析圖11管線采取加固措施前后的豎向位移曲線圖可得:通信電纜、給水管、污水管和雨水管在未采取WSS注漿加固網(wǎng)雨袖閥管地面注漿加固的時(shí)候,其控制點(diǎn)的最大豎向位移響應(yīng)分別為51.31、42.98、49.46、47.00 mm;采取加固措施后各管線控制點(diǎn)的最大豎向位移響應(yīng)分別為9.81、7.54、5.50、10.16 mm;各管線控制的實(shí)測(cè)值分別為7.97、6.66、5.60、9.36 mm。采取加固措施后管線的豎向位移遠(yuǎn)小于未加固的時(shí)候,管線由強(qiáng)影響區(qū)變?yōu)闊o(wú)影響區(qū)或弱影響區(qū),處于安全狀態(tài)。

圖11 采取加固措施前后與實(shí)測(cè)值的豎向位移曲線圖Fig.11 Vertical displacement curves of pipelines before and after reinforcement measures and measured values

鄧埠站1號(hào)出入口人行通道暗挖工程施工中對(duì)管線的強(qiáng)影響區(qū)采取了合理有效的措施,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析,密集管線在安全狀態(tài)下車站出入口隧道施工完滿結(jié)束,也印證了所采取的措施的合理,現(xiàn)場(chǎng)注漿加固施工圖,如圖12所示。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)注漿加固Fig.12 Field grouting reinforcement

5 結(jié)論

基于多工況數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果,通過(guò)理論分析、多元非線性函數(shù)擬合等方法,建立了地鐵人行通道暗挖對(duì)近鄰多管線的影響分區(qū)計(jì)算方法,并通過(guò)案例分析,給出了不同圍巖類型、交叉角度下,各管線的強(qiáng)弱影響分區(qū)范圍,探討了近鄰多管線施工控制措施的效果,得到如下主要結(jié)論。

(1)基于規(guī)范中管線位移控制標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合Peck曲線分布規(guī)律確定出以控制值的60%與20%作為強(qiáng)影響分區(qū)、弱影響分區(qū)、無(wú)影響分區(qū)的閾值。

(2)基于多工況數(shù)值模型中管線豎向位移計(jì)算結(jié)果,以多元非線性函數(shù)進(jìn)行擬合,得到管線豎向位移與多因素(凈距、交叉角度、圍巖參數(shù)、施工參數(shù))的關(guān)系函數(shù),可預(yù)測(cè)管線位移和進(jìn)行影響分區(qū)劃分。

(3)基于建立的地鐵隧道暗挖對(duì)近鄰密集管線強(qiáng)弱影響分區(qū)方法研究了強(qiáng)影響分區(qū)中密集管線的主動(dòng)控制措施與被動(dòng)控制措施,結(jié)果表明采取有效措施后密集管線強(qiáng)影響區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槿跤绊憛^(qū)和無(wú)影響區(qū),保障了施工安全。