软土地层地铁隧道施工对地下管线的影响分析

罗鹏程，王 杰

(中交二航局武汉智行国际咨询有限公司，湖北 武汉 430014)

1 引言

城市地铁隧道作业必定会使得底层出现有对应的沉降情况，但是地基沉降的构成包括地层损失下沉以及地基固结下沉。在富水软土的前提之下，地层固结下沉所占比例相对较大，并且大部分是因为隧道挖掘所导致地下水源的损失以及起对地质造成的力学作用会使得其出现二次固结的情况。此外，在此地层中，固结沉降会在很大程度上影响地下管线。

研究中的数值模型均依靠FLAC3D建立，通过对施工效应和流固耦合效应的全面考量及其所起作用的综合考量，把地下线管可承受的地层移动总量来当作是基础的控制标准，就降雨、动态降雨以及非降雨3种作业方式所导致的地层沉降，并给出了定量，并且针对性展开预测与监控，运用对比分析的方法确定非降水作业方式的效果最佳，并且具体研究结果能够为类似项目提供参考。

2 管线变形特点和安全控制标准

某市轨道交通1号线SK3+355区段煤气管网和地铁隧道交汇的布置图绘制如图1所示。一个天然气管线和地铁隧道交错，天然气管线的中心线与隧道的走向在水平面上的投影正交。从城市天然气公司了解到，此煤气线管属于柔性承插式管道，在此线管的两端分别设有一个检查井。

已有研究成果表明：大部分地下管线埋深没有超过1.5 m，管径在150 mm以下的铸铁管线并不能抵抗地层移动，管线随周围土体一起移动；倘若管径范围是150～500 mm，管线对附近土体就会形成一种抵抗力。倘若管线和附近土体共同移动，预测管线变形值和现场真实值就不会存在偏差。鉴于此，设定管线是和附近土体共同随地层沉降完成移动操作。

3 软土地层不同的施工方法

对某市轨道交通1号线某段区的水文以及起地质环境状况，给出了非降水施工、降水施工和动态降水施工3种施工方法[1]。而非降水建设方式与动态降雨构建形式的共同目的都是减少隧道挖掘过程当中的地下水资源损耗的问题，以此来规避并预防地下水资源的损失所导致的软粘土地层二次固结，从而引发的底层出现下沉或者是形变的情况。

图1 煤气线管和地铁隧道相交平面

其实降雨构建形式，也就是在隧道挖掘作业开始之前，在隧道的两面挖出一个降雨井，展开对应的抽水作业，这样一来地下水就可以减少到隧道顶层的标高以下，而且在隧道的整个作业区段形成“无水作业环境”，使得隧道作业的质量与安全性能够得到很好的保障。

动态降雨作业形式的本质是在隧道掌子面展开对应的部分区域降雨的工作，而且在隧道掌子面的部分区域建立起“无水作业环境”，倘若初期支护结束，就要在第一时间进行降水停止的操作。

非降水建设方式其实就是在挖掘之前，在掌子面之前通过水平旋喷桩的形式展开相关的地层防水的稳固作业，这样一来就可以让隧道掌子前半部分的围岩结构得到更好的紧固，科学地提升围岩强度等级，并且能够很好地掌控地下水由掌子面前渗入至隧道中的涌水量。

动态降水与非降水这两种作业方式的目标均是在隧道挖掘时，尽量避免出现地下水流失的问题，进而实现软粘土地层由于失水与影响所导致的二次紧固所产生的沉降形变的情况。

要想让动态降雨以及非降雨这两种作业方式对地层沉降所导致的控制成效更加显著，并且使得这3种方式对地层沉降的干扰差异性更加显著，就可以运用降水作业的方式作为参考。由于这些作业方式与地下水的流失、掌控存在密切的关联性，鉴于此，在进行数值模拟计算的过程中，应该深入分析流固耦合的具体效应。

这个隧道的左线是标准断面，因此开挖方式选择上下台阶法。但是右线是渡线断面，所以要由标准断面渐渐增到跨度是12.9 m的大断面隧道，此时，右线选择的是CRD方式开挖。

水平旋喷桩所选取的是桩与桩之间互相咬合的双层扇形区域，并在改区域展开拱圈架构的紧固操作，桩直径通常控制在0.5m，搭接长度控制在3m，一次超前紧固的值是15 m，结合3.5 m小导管完成注浆紧固的施工操作，如此就能够使得扇形咬合桩的实际强度得到有效强化。

4 三维数值模型及其参数

模型的尺寸为：高(竖向Z)×厚(纵向Y)×宽(横向×)=40 m×50 m×100 m，共17980个单元。

如表1所示为锚杆支护的材料参数；表2所示为初期支护的材料参数；表3是煤气线管选择柱单元的模拟参数。

表1 锚杆支护的材料参数

表2 初期支护的材料参数

表3 煤气线管采用柱单元的模拟参数

旋喷桩孔隙率为0.01，渗透指数为1×10-7m/(Pa·s)；地层的孔隙率为0.03，渗透系数为1×10-5m/(Pa·s)；地下水的容重为1000 kg/m3，体积模量为2 GPa。

5 流固耦合效应的数值模拟

降水作业方式能够在隧道开挖之前借助降水井开始进行全线抽水作业，也是3种施工方法中唯一的一种，这样能让地下水的水位一直维持在一个低于隧道板面的标准标高以下，让隧道整个段线构成一个无水作业的施工条件与施工环境。但是动态降雨作业方式的准则是借助降水井，在作业过程中进行抽水，如此就能够使得地下水水位降低，在隧道掌子面区域中构建无水的作业条件[2]。

非降水作业其实就是在隧道开挖时不借助降水井开展抽水施工，借助水平旋喷桩预先紧固地层，让隧道掌子面在其周围形成一个隔水加固圈，这样不但能有效阻隔地下水的自由渗漏，使得渗漏量能够降低，并且可以进行软弱地层的紧固，提升地基的力学性质，快速的减少地基的整个下沉总量，而且还可以让固结沉降的总量降到最低。

按照降水施工的形式进行有关的作业，从孔隙水压力配置图与地层垂直变形分布图能够得出，假如运用降水方式，在进行隧道开挖之前就要全线降水，并且在隧道底板标高位置孔隙水压力几乎等于0。可是在隧道开挖之前就要全线降水，并且能够使得地表沉降量的极限值提高至35 mm，还能够在隧道轴线产生约80 m宽的沉降槽。

降水方式并不可以从根本上处理地下水向隧道中渗入的难题，但因为在开始挖掘隧道前已经将大部分的地下水抽出，这样就会让软土地基在极大限度上的发生总体固结沉降形变的情况，这样一来就可能会导致地表大面积的沉降变形。鉴于此，如果地铁隧道在通过饱和软土地层的过程中，应该借助对地下水流失问题的严格掌控，高效解决固结沉降变形的相关问题。

针对上述建设方式的孔隙水压力分布图进行分析能够得出，挖掘隧道结束之后，降水法能够使得地下水水位降低，但是另外两种方式的效果并不显著，并且非降水法孔隙水压力减小的效果最差。借助对上述方式在隧道开挖前、后，结合对比分析的方式，分析控制地下水的实际效果，可以得出非降水法效果最为显著，降水法的效果最差。

6 结语

如果地铁隧道的地质环境是地下水相对丰富，并且土质主要是饱和性粘土，那么整体沉降量就会因为地下水流失的问题被严重影响，所以，需要用流固耦合效益来研究这些情况的具体影响因素，只有这样才可以得到相对较为精准的运算数据。应该将目标对象的受力特性与规定变形范围值当成是地层移动掌控的最佳目标。因隧道施工产生的地表沉降，沉降槽内表现为压缩变形，而横断面方向上则表现为远离隧道的拉伸变形，就地下线管而言，压缩变形区域内的危险系数要比拉伸变形区域内小很多。