北京地铁某出入口施工造成管线沉降的影响研究

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院 北京 100083)

由于地铁的修建相比城市扩张存在一定滞后性，相比以往，如今地铁更多地穿越人口密集区域，因此地铁工程面临越来越多的下穿既有建筑物、构筑物以及地下已有的各种管线的情况。在施工准备阶段，管线导改是一项很重要的工作，将开发区域附近的管线进行改迁，可以避免开挖对其造成破坏，但部分管线无法改迁，因此如何施工才能不对这些管线产生影响便是需要考虑的关键问题。

本文以北京地铁7号线工程为背景，研究某出入口暗挖通道施工期间地表土层与地下管线的沉降，依照现有理论计算，结合数值模拟进行研究。

一、隧道施工造成土层与管线沉降理论

由地铁施工造成的管线破坏大多是由于施工造成土壤扰动变形，下部土壤沉降，影响到上方管线所在的土层，可能导致管线沉降破坏。为了可以计算出隧道施工引起的土壤变形，有很多研究人员通过分析数据总结规律。Martos[1]根据大量试验数据提出开挖隧道引起的上部土层变形量在水平方向的变化符合正态分布，由此为沉降公式化打下了基础。Peck[2]统计了多个隧道施工的沉降数据，提出地层损失概念，即施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差，进而提出隧道施工造成上部土壤沉降的经验公式。侯学渊[3]在分析施工数据后，对施工中动态效应对土壤沉降影响进行了研究，验证了Peck提出公式是大致准确的。段光杰[4]基于等效模型对Peck提出的公式进行了修正，由地铁开挖半径和地表产生的最大沉降即可计算得出地铁隧道开挖横切面上各个位置的沉降量。

针对沉降理论，研究者们也进行了大量的探索。将土体视作随机介质的理论源于J.Litwiniszyn[5]，是其在研究煤层与地表的移动问题时首次提出的，城市中的常见隧道工程通常埋深较浅，在浅层土壤或风化的岩层中，松散的围岩在变形时是随机运动的。刘宝琛[6]等通过研究采煤过程中地表的运动，发展了土壤随机介质理论。丁幼松[7]通过对输液管道震动问题进行数学建模，推出了地下管线的扭曲运动微分方程。曹伍富等[8]通过工程监测数据，对地铁施工时管线出现较大沉降的情况进行了分析，总结了几种管线的变形控制范围。

研究者们也将数值模拟方法用于地铁隧道施工沉降研究中，杨晓杰[9]使用FLAC 3D对北京某隧道施工过程进行了模拟计算研究，模拟计算结果与实际监测结果基本相同，说明该数值模拟方法具有一定的可行性。李玉坤等[10]对唐山填海道路软土地基中的管道受力进行了模拟计算，采用的等效弹簧模拟管土相互作用值得借鉴，但是模拟只分析了管道受力，并没有考虑到承载管线的土层的变形问题，如果管线所在土层的变形过大，管线部分悬空，可能由于自身重力而受力不均产生断裂。之前的研究者们进行数值模拟时，结果主要以受力为主，较少模拟沉降变形，因此本研究选择了可以直观展示变形模拟结果的岩土工程分析软件midas GTS。

二、工程背景与理论计算

(一)工程背景

本文以北京地铁7号线工程某车站出入口施工为实例进行研究，车站为东西走向的明挖地下三层双柱三跨的箱型框架结构，该出入口由明挖和暗挖结构构成，其中暗挖部分是南北走向的单层单跨的拱顶直墙结构，长21.1m，顶板覆土厚7.45m，通道标准段宽度5.3m。开挖范围内自拱顶开始由上到下的主要地层是：粉砂层、砂质黏土层和粉质黏土层，以粉质黏土为主，潜水埋深约13m。设计施工方案采用CRD工法。暗挖段垂直下穿一条直径406mm的高压燃气管，材料为铸铁，管厚50mm，管底埋深2.8m，拱顶与管线垂直距离为4.5m，燃气管和暗挖通道的位置如图1、2所示：

图1 燃气管和暗挖通道位置纵剖图

图2 燃气管和暗挖通道位置俯视图

(二)理论计算

当地下结构进行施工时，人为扰动会导致土体颗粒之间产生相对位移，地下土壤是一种非均质不规则物体，土体之间必然产生不规则方向的应力，因此开挖会导致附近未开挖土体产生变形和位移。城市轨道交通一般都位于浅层，开挖浅埋隧道时，地表会产生一定的沉降，形成的坑体称为沉降槽，如图3所示：

图3 沉降槽横向分布示意图

目前对沉降槽最大沉降量的计算方法，使用较多的是经过修改的Peck公式，地面距沉降槽中心x处的沉降量S和最大沉降量Smax的计算方法如下：

(1)

(2)

式中，x为沉降曲线中心在原地面上的投影点与求值计算点之间的距离；定义V为单位长度隧道的地层损失；Vl为地层体积损失率，表示单位长度地表沉降槽的体积占隧道开挖体积的百分比，影响因素不仅有工程地质和水文地质情况，也包括施工方法和技术水平，比如浅埋暗挖法、新奥法施工在大多数情况下要比盾构法施工的地层损失率小，并且通常各地区均不相同。针对地区差异，韩煊、J.R.Standing等[11]进行了研究，根据收集的数据，总结了我国部分地区隧道施工引起的沉降槽宽度参数。本次工程项目位于北京的平原区域，地下水较少，根据以往北京地区隧道开挖统计结果，在主要为黏土的土层中施工时，地层体积损失率Vl取值范围一般为1.0%至1.5%；i表示沉降曲线中心和沉降曲线反弯点在水平方向上的距离，称为沉降槽宽度，计算方法分别是：

(3)

(4)

其中Z和r分别为隧道埋深与半径，β是土的内摩擦角。关于i的计算，O’Reilly[12]根据数据提出的单一土层中开挖隧道时，i与隧道中心深度Z0之间呈线性关系，得到一个粗略的计算公式：

i=KZ0

(5)

系数K根据土壤性质取值如下：

将式(3)、(4)带入式(2)得到一个估算最大沉降的公式：

(6)

根据式(6)，对于某个工程，隧道开挖半径r和深度Z均为已知，因此最大沉降量取决于地层损失率Vl与土的内摩擦角φ。

本工程地处北京，工程勘测结果显示，隧道所处位置及上部土主要为粉砂、砂质黏土和粉质黏土，以粉质黏土为主，因此内摩擦角φ取26°，隧道埋深Z为7.45m，由式(3)计算得i=4.755；根据本工程岩土地质条件，地层体积损失率Vl取值1.25%，代入公式(6)可得：

即按照以上方法计算的隧道开挖中心线上方地表最大沉降为5.78mm。

三、数值模拟

根据管线权属单位的要求，施工引起的燃气管线沉降变形不得大于10mm。上式计算得到的隧道中心线上方地表沉降量为5.78mm，而其下方的管线位置沉降量大于地表沉降，有可能已经超过施工引起的隧道上层土壤沉降，有超过燃气管沉降限值而引起事故的可能，所以要进行数值模拟，根据结果判断可能的沉降量，提前做好工程准备。

为了使模拟结果尽可能贴近真实状况，需要按照开挖和支护的步骤按顺序建立工况进行模拟，该出入口的暗挖通道采用CRD工法和台阶法进行施工，CRD法分为四个导洞(如图4所示)

图4 CRD工法示意图

建模按照施工顺序，首先进行1号导洞的开挖及支护，开挖土方并留下核心土，开挖时分上下台阶，上下台阶错距为3m，每开挖1m架设一榀22a工字钢格栅进行支顶，及时打设锁脚锚架，竖墙立面上挂设钢筋网，竖墙立面和顶板均喷射厚度为350mm的C25早强混凝土。开挖的每个步续都进行模拟，喷射混凝土的过程也需单独模拟为一个工况。当1号导洞下台阶向前开挖长度达到5m时，进行2号导洞的开挖，2号导洞上台阶和1号导洞下台阶保持5m的错距，施工步骤和1号导洞相同。当2号导洞下台阶开挖达到5m时，即开始3号导洞的开挖，同样和2号导洞下台阶保持5m的错距。四个导洞按顺序建立的工况，需要分别运行，也符合实际中工人轮流开挖，较为贴近实际情况。四个导洞循环进行开挖与支护作业至隧道开挖贯通。贯通之后，即进行二次衬砌的施工，拱顶和侧墙都要喷射厚度为700mm的C30混凝土。由于隧道长度为21.1m，考虑到实际喷射范围与工况总量，二衬施工阶段设置7个工况，每次进行3m范围内的施工。模型为包含暗挖通道、管线在内的长方体，为了保证隧道上方管线区域的沉降贴近真实情况，需要建立如下模型(如图5所示)，南北方向取隧道长度21.1m，东西方向各延伸3倍的隧道宽度，向下延伸5倍的隧道高度。

图5 建立模型

四、模拟结果及分析

经过第一次模拟，管线沉降最大的时刻的结果如图6所示：

图6 第一次模拟结果

在整体开挖至后半段时，管线与隧道直线距离最小的一点，即隧道垂直上方处，管线沉降达到最大值6.19mm，小于10mm危险值，但略大于理论计算值5.78mm。另一个标注点为隧道顶部土壤，沉降达到14.37mm，这是由于计算软件工况数量限制，无法真实还原每开挖1m增加一次喷射混凝土支护，而是按照每开挖完毕5m后一次性增加5m喷射混凝土，因而造成顶部土壤显示沉降过大。在实际工程中每开挖0.6至0.8m即进行一次喷射混凝土支护，顶板上部覆土沉降量通常都可以控制在10mm之内。

模拟计算得到的管线沉降量为6.19mm，大于理论计算值5.78mm，且距离危险值10mm只有3.81mm的缓冲空间，已经达到了限额的61.9%。因此有必要采取一定的工程措施，减小管线最危险部位的沉降量。由于权属单位规定该燃气管线不可改移，因此不可对管线进行采取直接措施，所以本研究在管线下方、隧道顶板上部采用深孔注浆方法，注浆范围是平行于管线方向3m、平行于隧道开挖方向4m、高度1.5m的区域(如图7所示)。随后对模型进行修改，单独创建出这一块注浆区域，将该区域的弹性模量由原土层的勘测值改为注浆后的理论要求值，等效于深孔注浆效果，其他部分未修改。

图7 深孔注浆措施图

图8 第二次模拟结果

模拟结果为图8，模拟计算结果显示管线最大沉降为4.54mm，比第一次未深孔注浆条件下的模拟结果6.19mm减小了1.65mm，也小于理论计算值5.78mm，距离危险值10mm有5.46mm的缓冲范围，最大沉降量仅达到限额的45.4%。由此判断，施工前对管线以下区域一定范围内采取深孔注浆措施可以有效减小管线的沉降量，预留了更多的安全缓冲空间，确保暗挖通道施工不对管线造成破坏。

五、结语

1.通过结合数学计算和有限元数值模拟两种方法，分析了北京地铁7号线工程中某出入口暗挖隧道施工对其上方的原有管线造成沉降进行了研究，使用岩土分析计算软件midas GTS对沉降量的模拟结果大致符合理论计算结果，能够确定施工进行到何处时管线沉降达到最大值，可以应用于施工前的模拟，以作出相应措施。

2.在管线下方进行暗挖施工时，可以在两者之间一定范围内采取深孔注浆预处理措施，能够有效加固管线下方土体，减少上部管线的沉降。