盾构下穿地下管沟施工影响案例分析及其控制研究*

王婉婷 黄 杉 王尉行 李谷阳 李晓亮 徐前卫 孙梓栗

(1. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室， 201804， 上海； 2. 中铁五局电务城通公司， 410205， 长沙//第一作者，硕士研究生)

盾构施工对周边地下管线的影响不容忽视。为研究隧道施工对地下管线沉降变形的影响，文献[1-3]采用了基于有限元软件的数值分析法，文献[4-5]采用了基于地基沉降槽曲线的理论解方法。研究结果表明，盾构开挖引起的周围土层差异沉降，是导致地下管线损坏或功能丧失的主要原因。根据文献[6-11]，影响管线变形的主要因素包括管线与隧道的相对位置、管线的弯曲刚度和土体的强度。相对而言，管线本身参数(除管材、直径外)对其沉降的影响相对较小，而土质及盾构施工参数对管线沉降的影响较为显著[12]。

本文结合北京地铁8号线盾构穿越地下热力管沟和污水管沟的工程案例，采取有限差分软件模拟分析左、右线盾构施工对地下管线的影响，并依据数值计算结果提出适合本工程的施工控制措施，从而指导本工程的顺利实施，并为类似工程提供借鉴与参考。

1 工程概况

北京地铁8号线天桥站—永定门外站区间盾构隧道直径为6.4 m，设计起点里程为K33+380.648，终点里程为K35+018.019，全长1 637.371 m。盾构在里程K33+395处下穿钢筋混凝土结构的热力管沟和污水管沟。热力管沟距盾构始发端仅15.40 m，埋深5.28 m，截面尺寸为2.60 m×2.30 m，距离盾构隧道顶部仅2.70 m。污水管沟埋深1.97 m，截面尺寸为1.10 m×1.70 m。热力管沟、污水管沟与盾构隧道的关系如图1～2所示。

图1 地下管沟与隧道平面关系示意图

盾构隧道在下穿热力管沟处的埋深为10.84 m。土层由上而下为人工堆积层(杂填土①层、粉土填土①2层)和一般第四纪冲洪积层(粉土③2层、粉质黏土③层、粉砂-细砂③3层、粉土④2层、卵石⑤层、粉质黏土⑥层、卵石⑦层、粉质黏土⑥层、卵石⑦层、卵石⑨层)。

图2 地下管沟与隧道立面关系示意图

隧道洞身主要穿越地层为粉细砂层③3和粉土层④2，上覆粉细砂和粉质黏土，下卧卵石层，地质环境较差。因此，该处盾构下穿地下管线被施工方列为环境一级风险源。各土层的主要物理力学指标见表1。根据水位勘察结果，该段盾构位于地下水位以上，处于全断面无水状态。

表1 土层物理力学参数表

2 盾构下穿热力管沟施工模拟

2.1 建立计算模型

盾构下穿热力管沟施工的计算模型如图3所示。隧道与地下管道位置关系如图4所示。计算模型水平边界长63 m，竖向边界长36 m，纵向边界长30 m。地基土、管片和注浆层均用实体单元模拟。

图3 隧道下穿地下管沟计算模型图

图4 隧道与地下管线空间位置关系图

其中，地基土采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，管片和注浆层采用各项同性弹性模型。热力管沟与污水管沟选用shell单元模拟。

计算模型的竖向边界约束水平位移，水平底部边界约束竖向位移，顶部是自由面。土层、管片、注浆层及管道的计算参数如表2～4所示。

2.2 模拟施工过程

模拟施工先开挖右线隧道，待右线隧道开挖完成后再开挖左线隧道。左、右隧道长30 m，分10步开挖。对盾构开挖面施加荷载来模拟盾构对掌子面的支撑力，把管片实体赋予管片弹性单元计算参数模拟安装衬砌，考虑注浆压力及浆液强度变化过程，注浆压力施加在注浆层实体上，由初始压力减小到0，注浆层强度由0增加到最终强度。隧道开挖面顶部和底部的支护压力按水平静止土压力计算，分别为74.29 kPa和155.38 kPa。盾构注浆压力采用现场施工数据200 kPa。

表2 土体弹塑性单元计算参数

表3 弹性实体单元计算参数

表4 结构单元计算参数

2.3 分析计算结果

2.3.1 土体竖向位移

盾构施工所引起的地表竖向位移最大值如表5所示。地表隆起变形允许值为10 mm，沉降变形允许值为30 mm。可见，选用的支护压力及注浆压力是比较合理的。

表5 隧道施工引起的竖向位移最大值统计 mm

2.3.2 管线变形

图5为左线掘进过程中热力管沟最大沉降值、最大隆起值和差异沉降值的变化曲线。随着隧道掘进，热力管线整体呈向下沉趋势，其最大沉降值也逐渐增大，最大隆起值逐渐减小，差异沉降值变化不大。管线最大隆起值为6.71 mm，最大沉降值为5.02 mm，均小于管线最大竖向允许变形值(45.00～55.00 mm)的要求；管线最大差异沉降变形9.02 mm，也小于10.00 mm的允许值要求。

图5 左线掘进过程中热力管沟的最大变形值

左线掘进完成后，热力管沟与污水管沟的最终变形如图6所示。由图6可见；热力管道中间下沉，两端翘曲，产生了不均匀沉降，且最大沉降值为5 mm，最大隆起值为4 mm，不均匀沉降差为9 mm；隧道施工引起的污水管沉降较均匀，约为4 mm，且量值较小。

图6 热力管沟与污水管沟最终变形

3 控制措施及监控方案

3.1 施工控制措施

由仿真计算结果可知，地层和管道的变形虽仍控制在安全范围内，但局部管道变形值已接近控制值。因此，施工时应采取适当的变形控制措施。

(1) 严格控制盾构机推进压力和出土量，保持盾构土仓内外压力平衡，保证盾构匀速、连续地掘进，尽量避免盾构变速推进，以免对前方和周围土体造成过大扰动。

(2) 推进过程中，当推力偏大时，可在盾壳外侧加注膨润土，以减小盾体与土层间的摩阻力，从而减小盾壳通过时的上部土层变形。

(3) 为保护管沟，可对盾构隧道外侧土体进行加固。加固范围如图7所示。

(4) 施工采用了二次探孔注浆及管片加强工艺。二次探孔注浆，即利用加强衬砌环管片(管片主筋由C 20钢筋增强至C 22)的吊装孔及新增注浆孔，通过打设钢花管进行管片壁后注浆。每环加强衬砌环管片的吊装孔及新增注浆孔共有16个，沿圆周均匀布置。在隧道拱顶外1.5 m范围内注浆。浆液采用水泥-水玻璃双液浆，其浆液配比同二次补浆浆液配比，即水：水泥=1：1(质量比)，水泥浆：水玻璃=1：1(体积比)。注浆压力为0.5～0.8 MPa。

图7 加固范围示意图

3.2 监控方案

(1) 监测点布置。图8为热力管沟附近监测点布置示意图。这些监测点主要监测隧道周围1倍埋深范围内的地下管沟沉降及差异沉降、管侧土体沉降值。

图8 监测点布置图

(2) 监测标准。地下管沟与地表沉降的累计变化量应小于20 mm，沉降速率应小于2 mm/d，差异沉降应小于0.25%。

(3) 监测结果。图9为左、右线盾构施工完毕后，热力管沟上各测点的竖向变形值。受隧道开挖影响，最大隆起值和沉降值分别为4.4 mm和5.6 mm，满足施工控制要求。此外，热力管沟中间下沉，两端翘曲，产生不均匀沉降，且不均匀沉降值为7 mm。这与数值模拟结果相似。

4 结语

本文结合北京地铁8号线双线盾构下穿地下热力管沟和污水管沟的工程实例，通过有限差分数值分析软件对盾构施工全过程进行动态模拟。模拟计算结果表明，虽然盾构开挖引起的土层和管沟变形在施工允许范围内，但局部管沟变形值接近控制值；随着盾构的开挖，靠近盾构的热力管沟中间部分下沉幅度大，远离盾构的两端下沉幅度小甚至向上隆起产生不均匀沉降。因此，结合该工程的现场实际情况，采取了二次探孔注浆及管片加强工艺等施工控制措施，最终有效控制了隧道上方热力管沟和污水管沟的变形。现场监测结果显示，地下管沟的最大沉降量只有5.6 mm，不均匀沉降值为7 mm。满足施工要求，且与模拟计算结果吻合。

图9 盾构施工结束后热力管沟监测点位移值

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