城市暗挖隧道平行穿越既有市政管線施工方法研究

摘要" ：為探索不同工況下北京地鐵28號(hào)線東大橋站—京廣橋站區(qū)間新增暗挖隧道施工對(duì)既有管線沉降的影響，采用FLAC3D有限差分程序進(jìn)行數(shù)值計(jì)算優(yōu)化分析，并優(yōu)化其施工方案。研究結(jié)果表明，新線施工引起既有管線的沉降隨開挖循環(huán)進(jìn)尺、初期支護(hù)的強(qiáng)度與厚度、注漿加固指標(biāo)的增大而減小，隨上臺(tái)階高度的增加而增大，因上臺(tái)階開挖不預(yù)留核心土或取消鎖腳錨桿支護(hù)呈顯著增大趨勢(shì)。得出其優(yōu)化方案：建議開挖上臺(tái)階時(shí)不預(yù)留核心土，或增大開挖循環(huán)進(jìn)尺至1.0 m，或減小初期支護(hù)厚度至200 mm。研究結(jié)論為北京地區(qū)暗挖地鐵隧道穿越工程提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ：地鐵隧道;平行穿越;既有市政管線;數(shù)值模擬;優(yōu)化分析

中圖分類號(hào)：U459.3"" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A"" 文章編號(hào)：1004-0366（2024）05-0031-08

伴隨軌道交通的發(fā)展，城市地下空間變得越來越擁擠。隧道工程中也將面臨越來越多地下管線近距施工問題，地鐵隧道穿越地層過程中必然會(huì)引起地層變形，而土體的變形是導(dǎo)致管線損壞的主要原因，若其使管線變形或應(yīng)力超過自身極限，則會(huì)發(fā)生破壞［1-3］。因此，研究地鐵施工對(duì)既有地下管線的變形影響對(duì)穿越類隧道設(shè)計(jì)施工及確保既有地下管線的安全具有重要的理論及工程意義。

關(guān)于地鐵隧道施工引起既有地下管線變形的研究，其常用方法有數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)及理論計(jì)算等。張學(xué)進(jìn)［4］、楊成永等［5］通過建立隧道下穿既有地下管線的有限元模型，分析了土體及管線剛度、隧道直徑及埋深、管隧夾角及凈距對(duì)管線變形的影響;FANG等［6］采用數(shù)值模擬方法分析了荷載類型、位置及埋深對(duì)既有管線力學(xué)特性的影響;詹濤等［7］采用有限元軟件建立了管線-隧道-土體三維模型，對(duì)暗挖隧道有無超前注漿加固措施施工引起的管線力學(xué)特性進(jìn)行了分析；黃曉康等［8-9］通過室內(nèi)盾構(gòu)模型試驗(yàn)，研究了兩種不同土質(zhì)中盾構(gòu)開挖對(duì)管線變形的影響;魏綱等［10］開展了隧道垂直穿越既有管線的室內(nèi)模型試驗(yàn)，基于不同狀態(tài)管線及埋深條件分析了盾構(gòu)隧道開挖對(duì)地下管線變形和內(nèi)力的影響；張治國(guó)等［11］基于Winkler地基模型，提出了盾構(gòu)開挖引起地下鄰近既有管線變形的位移控制分析方法，并分析了管隧自身特性對(duì)既有管線變形的影響;ZHANG等［12］提出了一種簡(jiǎn)化的位移控制兩階段法和應(yīng)力控制兩階段法，探索了黏土地層開挖引起的管道結(jié)構(gòu)變形機(jī)理；SINHA等［13］基于彈性連續(xù)介質(zhì)解與Winkler解在管隧效應(yīng)中的缺點(diǎn)，開發(fā)Fournission解來處理隧道施工對(duì)管道變形的影響問題。

綜上可知，既有文獻(xiàn)主要基于隧道、管線及土體的自身特性或隧道某項(xiàng)施工參數(shù)來研究地鐵施工對(duì)既有管線的變形影響，缺乏對(duì)施工參數(shù)的綜合性探索。而本文集合多個(gè)暗挖（環(huán)形開挖預(yù)留核心土法）施工參數(shù)，全面討論新增暗挖隧道施工對(duì)既有管線沉降的影響，并以北京軌道交通28號(hào)線（原CBD線）東大橋站—京廣橋站區(qū)間新增平行雙線隧道平行穿越既有市政管線為研究對(duì)象，采用FLAC3D有限差分軟件模擬不同工況下隧道暗挖施工，分析了不同施工參數(shù)下既有管線的沉降變形規(guī)律，并合理優(yōu)化施工方案，為北京市新建城市軌道交通線路規(guī)劃提供了參考依據(jù)。

1 工程概況

研究區(qū)段位于北京軌道交通28號(hào)線（原CBD線）東大橋站—京廣橋站區(qū)間，沿線道路交通繁忙，隧道覆土埋深7.15 m。該區(qū)段隧道采用暗挖法（環(huán)形開挖預(yù)留核心土法）施工，斷面形狀為馬蹄形（高6.62 m，寬6.7 m），軸線間距14 m，開挖循環(huán)進(jìn)尺0.5 m。

研究區(qū)段隧道穿越的市政管線如下：

兩根500燃?xì)夤埽轰摬牟馁|(zhì)（L290），壁厚6 mm，位于區(qū)間左線正上方，沿豎直方向距區(qū)間左線3.98 m。

一條4 500 mm×2 800 mm熱力管溝：混凝土材質(zhì)（C30），壁厚250 mm，沿水平方向距區(qū)間右線0.8 m，沿豎直方向距區(qū)間右線0.5 m。

一條2 000 mm×2 350 mm電力管溝：混凝土材質(zhì)（C30），壁厚250 mm，沿水平方向距區(qū)間左線0.6 m，沿豎直方向距區(qū)間左線0.5 m。

一條500污水管：混凝土材質(zhì)（C40），壁厚55 mm，沿水平方向距區(qū)間左線0.518 m，沿豎直方向距區(qū)間左線3.24 m。

新增平行雙線隧道與既有地下市政管線沿隧道開挖方向呈長(zhǎng)距離平行關(guān)系，新增隧道與既有管線位置關(guān)系如圖1所示。

2 三維地質(zhì)模型構(gòu)建

2.1 基本假設(shè)

FLAC3D有限差分程序內(nèi)置多種材料本構(gòu)模型，其適用范圍廣，且極其適用于本文城市地鐵隧道近距穿越既有管線的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬。進(jìn)行如下假定：

（1） 土層呈水平層狀分布，并視為摩爾-庫(kù)倫理想彈塑性材料，既有管線、隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)均視為彈性材料。

（2） 本段部分區(qū)間位于上層滯水水位以下，且不會(huì)常年有水，故不考慮地下水作用。

2.2 數(shù)值分析模型

（1）" 土層簡(jiǎn)化

由東京區(qū)間的工程詳勘報(bào)告得知，本區(qū)間地質(zhì)條件較復(fù)雜，土層種類繁多，但部分相鄰?fù)翆拥奈锢砹W(xué)參數(shù)相近。為簡(jiǎn)化模型，故將部分相鄰?fù)翆舆M(jìn)行合并。各土層物理力學(xué)參數(shù)［14］如表1所列。

（2）" 三維模型構(gòu)建

在數(shù)值模擬試驗(yàn)中，利用Rhino軟件建立三維模型并劃分網(wǎng)格，再導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行暗挖隧道穿越既有結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模擬。三維計(jì)算模型如圖2所示，三維模型尺寸為80 m×45 m×50 m（X×Y×Z），X為垂直隧道埋深方向，Y為隧道掘進(jìn)方向，Z為隧道埋深方向。模型取于城市主干道，因此，于模型頂部施加20 kPa的面荷載;前、后、左、右側(cè)及底部邊界均采用法向位移約束。地層由上至下分為9層：粉土填土層8 m、粉細(xì)砂層3 m、卵石層8 m、粉細(xì)砂層6 m、中粗砂層3 m、卵石層7 m、粉細(xì)砂層4 m、卵石層9 m、粉細(xì)砂層2 m。隧道主要位于粉細(xì)砂和卵石層中。

2.3 模擬步序

工程中左線隧道為先行隧道，右線隧道為后行隧道，左、右線隧道均采用相同步序施工，施工工序如圖3所示。

模型開挖與支護(hù)模擬步序如下：

拱部超前支護(hù)：賦值Ⅰ區(qū)相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，達(dá)到超前支護(hù)的目的。

上臺(tái)階環(huán)形開挖預(yù)留核心土：利用“model 1”命令實(shí)現(xiàn)Ⅱ區(qū)開挖。

上半斷面初期支護(hù)：賦值Ⅲ區(qū)相應(yīng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行初期支護(hù)。

核心土及下臺(tái)階開挖：利用“model 1”命令實(shí)現(xiàn)核心土與Ⅳ區(qū)開挖。

下半斷面初期支護(hù)：賦值Ⅴ區(qū)相應(yīng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行初期支護(hù)。

施作二次襯砌：賦值Ⅵ區(qū)、Ⅶ區(qū)相應(yīng)力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行二次襯砌。

各管線及隧道施工參數(shù)［15］如表2所列。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果描述既有管線沉降變形及應(yīng)力狀態(tài)，并判定其安全性;分析不同施工參數(shù)下既有管線的沉降變形規(guī)律，以此對(duì)臺(tái)階法施工各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并給出優(yōu)化方案。

3.1 既有管線沉降變形分析

在新線隧道平行下穿既有管線施工過程中，最終沉降變形能充分反映新線隧道施工對(duì)既有管線的變形影響［16］，因此，本文對(duì)既有管線的最終沉降變形展開研究。北京地鐵施工中規(guī)定，燃?xì)夤?、污水管及管溝的沉降變形控制值分別為10 mm、20 mm、30 mm。新增雙線隧道施工引起的地層及既有管線沉降位移云圖如圖4所示。

新線施工過程中，由于周圍土體卸荷和應(yīng)力重分布作用，從而引起隧道周圍地層的變形，進(jìn)而通過耦合作用帶動(dòng)既有管線發(fā)生變形。從整體來看，隧道施工引起的地層沉降為W形沉降，與V形、U形兩種沉降模式相比較，該模式下既有結(jié)構(gòu)沉降最小;由于后行隧道的開挖不斷對(duì)周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，必然對(duì)先行隧道產(chǎn)生新的沉降作用，因此，先行隧道發(fā)生沉降疊加作用，使其沉降大于右側(cè)隧道;新建隧道周圍地層以其上下臺(tái)階分界線為分割線，其上部土層因上臺(tái)階開挖引起地層損失呈沉降變形，下部土層因下臺(tái)階開挖失去上覆土壓力呈隆起變形，沉降變形與隆起變形均由近隧端向遠(yuǎn)隧道端遞減，且因協(xié)調(diào)變形作用，管線變形與地層變形相契合。從局部來看，右側(cè)熱力管溝水平方向跨度大于豎向方向跨度，所以，相比于空心圓環(huán)（燃?xì)夤芘c污水管）和空心矩形（電力管溝），其截面形狀更不利于抵抗地層變形，因此，其受新線施工擾動(dòng)更大;各既有管線沉降非常小，其值均不超過1 mm，因此，滿足沉降要求。

3.2 既有管線應(yīng)力分析

采用允許應(yīng)力判別法判斷管線結(jié)構(gòu)的安全性，其判別公式為

σ1≤［σ］=Rmn， （1）

其中：σ1為管線最大主應(yīng)力（MPa）;［σ］為管線允許應(yīng)力（MPa）;Rm為材料極限抗拉強(qiáng)度（MPa）;n為安全系數(shù)，一般取值1.111。

由相關(guān)規(guī)范＼[17-18＼]可知：管溝、污水管及燃?xì)夤艿臉O限抗拉強(qiáng)度分別為2.2 MPa、2.7 MPa、415 MPa。

因此，據(jù)式（1）計(jì)算管溝允許應(yīng)力：

［σ］=Rmn=2.21.111=1.98 MPa， （2）

污水管允許應(yīng)力為

［σ］=Rmn=2.71.111=2.43 MPa， （3）

燃?xì)夤茉试S應(yīng)力為

［σ］=Rmn=4151.111=373.53 MPa。 （4）

既有管線最大主應(yīng)力云圖如圖5所示，圖5中電力管溝、熱力管溝、污水管及燃?xì)夤艿淖畲罄瓚?yīng)力分別為0.704 49 MPa、0.684 37 MPa、0.466 35 MPa、3.566 0 MPa。將各管線最大拉應(yīng)力分別與式（3）～式（5）中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)各值均小于其允許應(yīng)力，滿足應(yīng)力要求。在新增平行雙線隧道平行下穿既有管線施工中，既有管線最大沉降變形符合變形控制標(biāo)準(zhǔn)，且管內(nèi)應(yīng)力不超過其許用應(yīng)力值，即管線處于安全狀態(tài)。因此，本項(xiàng)目的施工方案是可行的。

3.3 施工方案優(yōu)化分析

利用FLAC3D模擬不同開挖步序、上臺(tái)階高度、注漿加固指標(biāo)、初期支護(hù)強(qiáng)度和厚度以及鎖腳錨桿支護(hù)與否的15種工況，并提取計(jì)算結(jié)果繪制曲線圖或散點(diǎn)圖，進(jìn)而對(duì)該區(qū)段施工方案進(jìn)行優(yōu)化分析。

（1） 開挖步序優(yōu)化分析

隧道開挖步序分為平面與空間兩個(gè)維度：平面開挖步序是指橫斷面上的開挖順序;空間開挖步序是指開挖循環(huán)進(jìn)尺，且環(huán)形開挖預(yù)留核心土法開挖長(zhǎng)度以0.5～1.0 m為宜。既有管線最終沉降值與開挖步序關(guān)系如圖6所示，圖6中，開挖步序①為該工程實(shí)際開挖步序，開挖步序②、③、④均為改變后的開挖步序。

開挖步序①：左線隧道超前支護(hù)→左線隧道上臺(tái)階開挖預(yù)留核心土→左線隧道上臺(tái)階初支→左線隧道核心土及下臺(tái)階開挖→左線隧道下臺(tái)階初支→左線隧道下臺(tái)階二襯→左線隧道上臺(tái)階二襯→右線隧道超前支護(hù)→右線隧道上臺(tái)階開挖預(yù)留核心土→右線隧道上臺(tái)階初支→右線隧道核心土及下臺(tái)階開挖→右線隧道下臺(tái)階初支→右線隧道下臺(tái)階二襯→右線隧道上臺(tái)階二襯，開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.5 m。開挖步序②：環(huán)形開挖上臺(tái)階時(shí)不預(yù)留核心土，其他步序同開挖步序①。開挖步序③：平面開挖步序同開挖步序①，開挖循環(huán)進(jìn)尺為0.8 m。開挖步序④：平面開挖步序同開挖步序①，開挖循環(huán)進(jìn)尺為1.0 m。

從計(jì)算結(jié)果來看，不同工況下模擬隧道施工對(duì)既有管線的沉降影響排序?yàn)棰埽饥郏饥伲饥?。該工程區(qū)段土質(zhì)條件良好，相較于開挖步序①，若采用開挖步序③或④施工，施工次數(shù)將大大減少，能有效減少隧道施工對(duì)周圍地層的擾動(dòng)次數(shù);若采用開挖步序②施工，上臺(tái)階開挖量增加，且于掌子面向前推進(jìn)過程中無反向推力支撐，容易使隧洞周圍土體擠入，進(jìn)而增大隧道周圍土體的變形，最終加劇隧道施工對(duì)既有管線的沉降影響。綜合考慮施工工序的繁簡(jiǎn)程度及管線具體模擬沉降值，在該工程施工中可取消預(yù)留核心土這一工序，或在開挖循環(huán)進(jìn)尺建議范圍內(nèi)增加循環(huán)開挖長(zhǎng)度至1.0 m。

（2） 上臺(tái)階高度優(yōu)化分析

引入開挖高度比ρ，ρ=h上/D（h上為上臺(tái)階高度，D為隧道毛洞高度），已知該工程參數(shù)ρ=0.5（上臺(tái)階高度由隧洞拱頂取至橫斷面最大寬度處）。既有管線最終沉降值與上臺(tái)階高度關(guān)系如圖7所示。

隧道施工開挖上臺(tái)階時(shí)，若使隧洞一次失去過多支撐土體，必然會(huì)加劇隧道施工對(duì)拱頂周圍土層的沉降影響。隨開挖高度比的增大（上臺(tái)階高度的增加），使上臺(tái)階開挖面積不斷增大，進(jìn)而增大隧道施工對(duì)拱頂周圍地層的擾動(dòng)，最終增大隧道施工對(duì)既有管線的沉降影響。綜上所述，當(dāng)開挖高度比ρ=0.4時(shí)，新線隧道施工引起的既有管線沉降值最小，ρ=0.6時(shí)最大，ρ=0.5時(shí)次之，既有管線的沉降隨新線隧道開挖高度比的增大而增大;對(duì)于中小跨度隧道，開挖高度比過小不易于施工操作，而開挖高度比過大則會(huì)增大既有結(jié)構(gòu)沉降，所以不對(duì)上臺(tái)階高度做出調(diào)整。

（3） 注漿加固指標(biāo)優(yōu)化分析

隧道拱部深孔注漿技術(shù)所要求采用的普通硅酸鹽水泥強(qiáng)度等級(jí)不得小于42.5，項(xiàng)目中所采用的注漿水泥為P.O42.5。既有管線最終沉降值與注漿加固指標(biāo)關(guān)系如圖8所示。

由圖8可知，隨注漿加固區(qū)強(qiáng)度的增大，其抗彎剛度也隨之增大，使周圍土層因新線施工引起的變形減小，進(jìn)而削弱對(duì)既有管線的沉降影響。因此，新線施工引起的既有管線沉降隨加固區(qū)強(qiáng)度的增大而減小，但因土質(zhì)條件良好，既有管線沉降減小幅度較小?？偠灾?，不同注漿加固指標(biāo)工況下既有管線的沉降變形差異不大，可不對(duì)注漿加固指標(biāo)做出調(diào)整。

（4） 初期支護(hù)強(qiáng)度與厚度優(yōu)化分析

該區(qū)段施工過程中，隧道開挖后噴射強(qiáng)度等級(jí)為C25的混凝土，形成厚250 mm的初期支護(hù)。以初支的強(qiáng)度與厚度作自變量，以隧道施工引起的既有管線沉降變形作因變量，討論不同工況下隧道施工對(duì)既有管線沉降的影響。既有管線最終沉降值與初期支護(hù)關(guān)系如圖9所示。

由圖9（a）可知，當(dāng)改變初支厚度模擬隧道施工時(shí)，隨初支厚度的增加，新線抗彎剛度也隨之增大，其對(duì)隧道施工引起的地層變形起到抑制作用，最終使新線施工引起的既有管線沉降減小。因此，新線施工引起的既有管線沉降隨初支厚度的增加呈顯著減小的趨勢(shì)。由圖9（b）可知，當(dāng)改變初支強(qiáng)度模擬隧道施工時(shí)，相比于增加初支厚度，提高混凝土強(qiáng)度對(duì)新線抗彎剛度的貢獻(xiàn)較小，所以，其對(duì)隧道施工引起周圍地層變形的削弱作用較小，使隧道施工引起的既有管線沉降呈現(xiàn)隨初支強(qiáng)度增加而微弱減小的變形規(guī)律。因此，建議初支強(qiáng)度不變，初支厚度可由原來250 mm減小至200 mm，既滿足既有管線的變形控制要求，又減小了項(xiàng)目施工成本。

（5） 支護(hù)鎖腳錨桿的必要性分析

該區(qū)段采用臺(tái)階法施工，臺(tái)階開挖后須打設(shè)鎖腳錨桿進(jìn)行支護(hù)。將實(shí)際工況與取消鎖腳錨桿支護(hù)工況下的既有管線沉降進(jìn)行對(duì)比，并探討鎖腳錨桿在該工程中的必要性。既有管線最終沉降值與鎖腳錨桿關(guān)系散點(diǎn)圖如圖10所示，其中0代表無鎖腳錨桿支護(hù)，1代表有鎖腳錨桿支護(hù)。

由圖10可知，取消鎖腳錨桿支護(hù)使既有管線最終沉降值明顯增大。分析認(rèn)為，在新建隧道施工中打設(shè)鎖腳錨桿能有效抑制隧洞收斂，從而抑制隧洞上部土體的沉降與下部土體的隆起變形，進(jìn)而削弱隧道施工對(duì)上部既有管線沉降的影響。根據(jù)臺(tái)階法施工工藝要求，開挖臺(tái)階后必須打設(shè)鎖腳錨桿進(jìn)行支護(hù)。因此，充分考慮隧道施工工藝及其對(duì)既有管線沉降的影響，在施工過程中打設(shè)鎖腳錨桿是十分有必要的。

4 結(jié)論

從實(shí)際工程出發(fā)，通過對(duì)北京地鐵28號(hào)線東京區(qū)間新增平行雙線隧道平行穿越既有市政管線的三維數(shù)值模擬，驗(yàn)證了新建隧道施工中既有管線的安全性。通過對(duì)該工程區(qū)段小斷面臺(tái)階法施工的不同工況進(jìn)行仿真模擬，得出了不同工況下隧道施工對(duì)既有管線沉降的影響，并對(duì)此工程的施工方案提出以下優(yōu)化建議：

（1） 該工程地段土質(zhì)良好，開挖上臺(tái)階可不預(yù)留核心土，或在施工允許范圍內(nèi)可適當(dāng)增加循環(huán)開挖長(zhǎng)度至1.0 m，將大大提高工作效率。

（2） 新建隧道施工對(duì)既有管線沉降的影響隨上臺(tái)階高度的增加而增大，可不對(duì)此變量進(jìn)行調(diào)整。

（3） 隨新建隧道注漿加固強(qiáng)度的增大，既有管線沉降呈微弱減小趨勢(shì)，因此，不對(duì)該變量進(jìn)行調(diào)整。

（4） 綜合考慮施工安全與經(jīng)濟(jì)成本，不對(duì)初支強(qiáng)度做出調(diào)整，減小初支厚度至200 mm。

（5） 打設(shè)鎖腳錨桿進(jìn)行支護(hù)能有效抑制隧道施工引起的既有管線沉降，且應(yīng)施工工藝要求，在隧道施工過程中打設(shè)鎖腳錨桿是十分必要的。

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Research on the construction method of urban subsurface

tunnel crossing existing municipal pipelines in parallel

SUN Shuting YUAN Wei PENG Shu2

（1.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China;

2.China Railway Eighteenth Bureau Group Limited，Tianjin 30022 China）

Abstract ：In order to explore the influence of the new subsurface tunnel between Dongdaqiao Station and Jingguangqiao Station of Beijing Metro Line 28 on the settlement of the existing pipeline under different working conditions and to optimize its construction scheme，numerical calculation and optimization analysis are carried out using FLAC3D finite-difference program.The results show that thesettlement of the existing pipeline caused by the construction of the new line decreases with the increase of the cyclic footage of excavation，the strength and thickness of the initial support，and the index of grouting reinforcement，and increases with the increase of the height of the upper step，and it shows a significant trend of increasing due to the excavation of the upper step without reserving the core soil or the abolition of the locking footing anchor support.The following optimisation options were derived and it was recommended to excavate the upper step without reserving the core soil，or to increase the excavation cycle feed to 1.0 m，or to reduce the thickness of the initial support to 200 mm.The conclusions of the study can be used as a reference for the subsurface underground tunnel crossing project in Beijing.

Key words ：Subway tunnel;Parallel crossing;Existing municipal pipeline;Numerical simulation;Optimization analysis

（本文責(zé)編：毛鴻艷）