地铁盾构隧道施工对邻近管线的影响分析

王忠昶，虢新平，王川，唐静

(大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

地铁盾构隧道施工扰动造成地层变形进而诱发地下管线变形、破坏，导致各种恶性事故屡次发生[1-2].盾构隧道引起的地层变形及其对地下管线的影响涉及到两个方面[3].①隧道围岩受施工扰动的影响范围和受扰动作用后土层的形变与稳定性；②施工扰动作用下的地下管线的承载能力及其附加应力与形变.周晶等[4]采用平面单元研究了波作用下的连续直埋管线与四周土体的形变.得出：土质对管线的响应影响较大，管线与土体间的摩擦系数越大，管线的应力越大；吴波[5]采用ANSYS软件建立了三维地下管线模型，考虑隧道支护结构、土体与地下管线三者的相互耦合作用分析了施工过程中埋管的安全状态，提出了管线安全性评估的具体标准；毕继红，刘伟，江志峰[6]采用ABAQUAS软件分析了隧道施工扰动对地下管线的影响，认为管线和盾构隧道之间的相对距离越小，施工扰动对埋管的影响越大，当管线埋深一样时，刚度越大，管线产生的形变越小，由此带来的附加应力越大，管线的沉降受管线下卧层土体的刚度制约，随着土体刚度的增大，刚度制约越不不明显；吴为义[7]利用FLAC3D软件分析了杭州地铁盾构隧道施工对与隧道平行的地下管线的影响，得出：地下管线的沉降与管线埋深、管线与隧道水平距离等因素有关；骆建军等[8]结合北京地铁黄庄站4号线工程分析了隧道施工对埋管的扰动影响，得出：管节差异沉降不大于限制准则，管线符合形变限制准则.本文采用FLAC3D软件建立了隧道-土体-管线的共同作用模型，研究了盾构施工引起的地层变形及其对地下管线受力和变形产生的影响，预测了盾构施工时埋地管线的变形情况.

1 工程概况

大连地铁二号线春光街站(AK13+104.0)至香工街站(AK15+004.0)区间隧道，隧道全长为2.9 km，盾构施工长度为2.3 km.双线盾构隧道中心间距为18 m，埋深15 m.盾构区间内存在两条地下管线，其中，一条铸铁燃气管道与地铁隧道垂直，管线埋深2 m，管线外径为0.5 m，管线壁厚为0.02 m；另一条混凝土污水管道位于两条隧道中央部位，与隧道平行，管线埋深4 m，管线外径为1m，壁厚0.14 m.盾构机采用土压平衡盾构机，盾构机刀盘外径为6.4 m，盾壳外径为6.34 m.盾壳长度为7.74 m，盾壳厚度为7 cm.C50混凝土管片内径5.4 m，外径6 m，管片宽度为1.2 m，盾尾同步注浆压力为0.2 MPa.

根据地质勘查报告，该地区地层从上到下为素填土、黏土、卵石、强风化岩石、中风化板岩，间隙计算参数通过实测数据拟合而成，采用注浆体厚度10 cm模拟7 cm厚的盾壳，盾壳的弹性模量取为70GPa.土层与衬砌结构的力学参数如表1所示.

表1 土层与衬砌结构的力学参数

2 隧道-管线数值计算模型的建立

隧道衬砌结构外径D为6 m，内径d为5.4m，隧道埋深h为15 m，隧道轴线间距l为18 m.隧道左右边界取4D，下部取3D，上方取至地表，计算模型的长×宽×高为72 m×60 m×40 m，取平行隧道横断面水平向为x轴，竖向为z轴，沿隧道轴线推进方向为y轴，建立三维坐标系.模型上表面为自由面，底部边界为固定约束，侧边界为侧向位移约束，计算过程中地面施加20 kPa的均布荷载，模型共划分85 248个单元.数值计算模型如图1所示.整个模型先开挖右线隧道，再开挖左线隧道，掌子面压力采用均布0.3 MPa进行模拟计算.

图1 隧道-土体-管线三维数值计算模型

3 计算结果分析

3.1 地层沉降变形规律分析

图2给出了右线施工时距监测断面Y=18 m不同距离时的地表沉降曲线.由图可见：随着右线隧道的掘进，拱顶上方最大沉降值不断增大，沉降槽宽度不断增大.施工开挖面到达监测断面时，最大沉降值为3.4 mm，盾壳通过后最大沉降值为6.3mm，后期注浆及地层稳定后最大沉降值为10.0mm，各阶段沉降占比分别为34%，29%，37%.

图2 距监测断面不同距离的沉降曲线(右线施工)

图3给出了左线施工时距监测断面Y=18 m不同距离的地表沉降曲线.由图可见：随着左线隧道的掘进，左线上方地层沉降不断增大，右线和左线沉降值相互叠加.当右线隧道贯通后，地表最大沉降值为11.26 mm，根据Peck公式计算得到盾构隧道地层体积损失率为1.46%，地表沉降槽宽度系数为0.81.

图3 距监测断面不同距离沉降曲线(左线施工)

图4给出了双线隧道盾构施工过程中Y=18m截面隧道正上方(X=9 m和X=-9 m)地表和双线隧道中央上方(X=0)地表沉降历时曲线图.由图可见：随着右线隧道掘进施工，右线顶部地表监测点3迅速发生沉降变形，后期逐渐平衡，中央监测点2迅速发生沉降，但是沉降值小于监测点3，左线隧道顶部监测点4发生少量沉降变形.左线隧道施工过程中，监测点4迅速发生沉降变形，监测点2产生叠加变形，监测点3受到新的扰动，发生少量沉降变形.

图4 沉降历时曲线

3.2 地下管线沉降变形

(1)垂直管线沉降变形

图5为右线隧道贯通时燃气管的沉降云图，图6为左线隧道贯通时的燃气管的沉降云图.由图可见：右线隧道贯通，燃气管最大沉降值为10.1mm，左线隧道贯通时，燃气管最大沉降值为11.4 mm，最大沉降位置基本相同.

图5 管线沉降云图(右线隧道贯通)

图6 管线沉降云图(左线隧道贯通)

图7为右线、左线隧道贯通时，管线的沉降曲线，从图中可以看出，右线隧道贯通时，管线的沉降曲线符合高斯正态分布；当左线隧道贯通时，叠加后的管线沉降槽不再符合高斯正态分布.

图7 管线沉降曲线

(2)平行管线变形

图8为右线施工掘进30 m，污水管的沉降云图.图9为隧道盾构施工不同阶段污水管的沉降曲线.从图8和图9中可以看出，随着右线盾构掘进施工，污水管道沉降逐渐增大，当右线隧道贯通时，管线最大沉降值沿纵向相差不大，最大沉降变形为5.45 mm；左线隧道盾构施工，污水管道沉降继续增大，左线隧道贯通后，污水管线最大沉降值为9.79 mm.

图8 管线沉降云图(放大1 000倍)

图9 管线沉降曲线

3.3 地下管线受力分析

(1)垂直管线受力

当右线和左线隧道相继贯通时，燃气管线的应力状态也随着发生相应变化.右线隧道贯通时，燃气管线所受最大主应力的范围为1.3～3.1 MPa，最大拉应力为3.1 MPa，参考管线沉降曲线，最大位置为管线曲线半径最小处，处于管线弯曲外侧；最小主应力的范围为3.1～7.6MPa，最大压应力为7.6 MPa，位于右线隧道正上方管线管顶部位，即弯曲内侧.

当左线隧道贯通时，燃气管所受最大主应力范围为1.2～2.4 MPa，最大拉应力为2.4 MPa，燃气所受最小主应力范围为3.1～5.6 MPa，最大压应力为5.6 MPa，较右线贯通减小，主要原因是由于沉降槽宽度增大，管线变形相对变平缓.

(2)平行管线受力

当右线隧道和左线隧道相继掘进30 m时，污水管线的最大主应力和最小主应力也随着发生变化.作为平行管线的污水管线，当右线隧道掘进30 m时，污水管线所受最大主应力范围为3.0～0.95 MPa，最大拉应力为0.95 MPa，最小主应力范围为1～2.35 MPa，最大压应力为2.35 MPa，最大拉应力部位和最大压应力部位参考污水管的沉降曲线图，管线曲线半径越小，曲线内侧受压，外侧受拉.

当左线隧道掘进30 m时，污水管道所受最大主应力范围为2.04～0.80 MPa，最大拉应力为0.80 MPa，最小主应力范围为1.03～2.31 MPa，最大压应力为2.31 MPa，相比右线隧道施工掘进30 m时略有减小.

3.4 管线验算

根据节管线控制标准，以及设计单位提供的最大沉降值(50 mm)进行验算比对.管线的最大倾斜率为1.46 mm/m<2.55 mm/m.燃气管线的最大沉降值11.4 mm<50 mm，污水管线的最大沉降值9.79 mm<50 mm；燃气管线最大拉应力为2.4 MPa<[σt]=37.21 MPa，最大压应力为5.6MPa<[σc]=127.4 MPa，污水管线最大拉应力为0.8 MPa<[σt]=37.21 MPa，最大压应力为2.31 MPa<[σc]=127.4 MPa.

经验算管线处于安全状态.出于安全储备以及施工情况的复杂性的考虑，应适当采取有效手段控制沉降量.

4 结论

本文在对大连地铁二号线某区间双隧道盾构工程进行了模拟后，分析了盾构施工过程中引发的地层及附近地下管线变形和受力情况，得出以下结论：

(1)随着右线隧道的掘进施工，拱顶上方最大沉降值不断增大，沉降槽宽度不断增大.施工开挖面到达监测断面时，最大沉降值为3.4 mm，盾壳通过后最大沉降值为6.3 mm，后期注浆及地层稳定后最大沉降值为10.0 mm，各阶段沉降占比分别为34%，29%，37%.随着左线隧道的掘进施工，左线上方地层沉降不断增大，右线和左线沉降值相互叠加.当右线隧道贯通后，地表最大沉降值为10.0 mm.双线隧道施工完成后，横向地表沉降槽并不符合叠加理论，存在少量差值，双线隧道贯通，最大沉降值为11.26 mm.按两条隧道互不影响沉降叠加，最大沉降值为11.93 mm;

(2)右线隧道贯通，燃气管最大沉降值为10.1 mm，左线隧道贯通时，燃气管最大沉降值为11.4 mm，最大沉降位置向左有少量偏移.随着右线盾构掘进施工，污水管道沉降逐渐增大，当右线隧道贯通时，管线最大沉降值沿纵向相差不大，最大沉降变形为5.45 mm；左线隧道盾构施工，污水管道沉降继续增大，左线隧道贯通后，污水管线最大沉降值为9.79 mm;

(3)右线隧道贯通时，燃气管所受最大拉应力3.1 MPa，最大压应力为7.6 MPa.左线隧道贯通后，燃气管所受最大拉应力2.4 MPa，最大压应力为5.6 MPa，较右线贯通减小，主要原因是由于沉降槽宽度增大，管线变形相对变平缓.右线隧道贯通时，污水管线所受最大拉应力为0.95 MPa，最大压应力为2.35 MPa.左线隧道贯通后，污水管道所受最大拉应力为0.80 MPa，最大压应力为2.31 MPa，相比右线隧道贯通时时略有减小;

(4)经验算燃气管和污水管均处于安全状态.