黄土中隧底仰拱置换对临近管道的影响分析

吴 浩/WU Hao

（中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710003）

随着我国城市地铁建设的快速发展，面对复杂的地下空间环境，隧道施工不可避免的下穿建（构）筑物，管道或基础侵入在建隧道，客观上将带来严重事故，将需要对隧道实施调坡换拱以满足地铁使用要求，这类施工危险系数高，影响质量安全因素多，有必要进行隧道调坡换拱施工对临近管道影响的研究。

目前针对降雨、高地应力、大火、软弱围岩段隧道损伤进行的局部换拱研究局限于施工程序的分析，未见因雨水管道入侵而实施隧底仰拱置换的研究。另一方面，隧道施工对临近建（构）筑物影响的研究是非常丰富，常用方法是采用数值软件模拟预测隧道下穿对道路、建筑物、管线、桩基的影响，采用理论解析和模型试验的方法对一些简化情况下管隧相互影响规律的预测也起到了积极作用。然而，仍缺乏黄土中隧底仰拱置换施工对临近管道影响的研究。

本文采用三维数值模拟和现场原位监测的方法，深入分析了黄土中长距离隧底仰拱置换对临近管道的影响。研究结果表明：按照0.5m 施工进尺进行黄土中长距离仰拱置换诱发的地表、原初支隧道及管道结构变形均在安全控制范围内，管道侧堵头墙、管道底管棚及管道结构刚度，均能有效减少隧底仰拱置换施工扰动影响。同时，为防止施工过程中原初支隧道拱顶变形过大和管道长期时间暴露受损，还应分别在在隧道内部设置临时竖向支撑及实施管道内部加固。

1 工程概况

西安市某黄土中地铁区间隧道，采用标准的马蹄形断面，宽度为6.8m，高度为6.52m（A型）/6.65m（B 型），该区间隧道全长1.3km。采用浅埋暗挖法施工时，先在拱部150°范围内超前安装注浆小导管，开挖后及时布置8mm 的钢筋网片（0.15m×0.15m），再网喷250mm 厚C25早强混凝土形成初期支护。

该隧道施工到里程ZDK38+977.83 时偶然揭露了DN2400 的雨水管道，造成管道侵入隧道初支外轮廓线以内2.13m，导致隧道断面严重缩减。该雨水管道为钢筋混凝土钢承口圆管（Ⅲ级），采用顶管法施工而成。

为满足地铁隧道使用要求，避开已揭露的雨水管道，需要进行长距离隧底仰拱置换对原有隧道断面进行调整，施工长度为235m，扩挖深度从仰拱置换起点的0.8m 持续增加到雨水管道处的2.5m。

为确保隧底仰拱置换施工过程中管道的质量安全，对雨水管道采取了应急加固措施，先在雨水管道与已有初支隧道之间设置堵头墙，初支墙厚600mm，二衬墙厚400mm，高度约2.13m，沿堵头墙竖向设置4 榀I18 工字钢作为横向支撑，其间距为0.5m。然后，在堵头墙底和隧道新拱顶之间对称搭设6 根注浆管进行棚护支撑，管长为5m，直径为108mm。

2 仰拱置换施工方案

本工程隧底仰拱置换面临距离长，扩挖深度大、断面连续变化的特点，施工需要有效控制对无需破除部分隧道初支结构、围岩、堵头墙及雨水管道的影响，每段施工按照初支结构破拆→土体扩挖及净空测量→初喷挂网→格栅钢架安装及净空测量→喷混凝土封闭的程序进行。初步确定的隧底仰拱置换施工进尺为0.5m。

3 数值模拟及结果分析

3.1 数值模型

采用有限差分软件FLAC3D 建立隧底仰拱置换施工的三维数值模型。考虑计算效率及隧底仰拱置换施工影响范围，选取隧底仰拱置换区段全长临近雨水管道的一部分进行计算，模型长度为50m，为管道直径的约20 倍和隧道宽度的约7倍，对应的扩挖深度从2.14m 增加到2.5m。同时，考虑隧底仰拱置换施工的对称性，选取半模型计算，模型横向宽度为35m，由于半模型的宽度远大于仰拱置换部分隧道宽度的3 倍以上，可以忽略边界效应。模型底部及四周约束法向位移，上表面为自由面。

模型中隧道围岩按实际地层条件建模，从上到下土层物理力学参数如表1 所示。施工时采用管井降水至底板下2.9～3.0m，换拱施工不受地下水影响。围岩土体的本构模型均采用Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型。

表1 施工区内主要地层参数

数值计算时，模型中隧道衬砌、堵头墙、雨水管道、管棚支护结构均采用线弹性本构模型，隧道衬砌和雨水管道结构采用壳单元模拟，管棚支护注浆管采用索单元模拟，地层采用实体单元模拟。同时，采用软件内置的空模型，按照0.5m进尺进行隧底换拱，先模拟破拆底部仰拱，然后实施向下扩挖土体，再增设新的底部仰拱初期支护衬砌结构，完成该段的换拱过程，之后不断的往复循环直至整个完成整个区间隧道换拱。

3.2 计算结果分析

3.2.1 隧底仰拱置换施工诱发的地表沉降分析

隧底仰拱置换施工，破拆底部仰拱扰动了原隧道初支结构，扩挖土体又造成隧道围岩的卸荷，改变了原隧道初支结构及临近雨水管道的应力状态，诱发的地表沉降数值计算结果如图1 所示。

图1 隧底仰拱置换诱发的地表沉降变化规律

由图1（a）可见，隧道上方横向地表沉降随仰拱置换距离增大均呈两阶段变化特征，初始快速增长阶段对应的换拱距离不大于隧道宽度，并且，距换拱起始位置越近，地表沉降越大，而距隧道中线的横向距离越大，地表沉降越小。由图1（b）可见，在管道正上方，距离隧道中线越远，隧底仰拱置换诱发的地表沉降越小，例如，隧底仰拱置换距离达到49m 时，距离隧道与管道正交位置分别为0m、5m、10m、15m、20m、35m 时对应的地表沉降分别为3.7cm、3.2cm、2.8cm、2.7cm、2.6cm、2.5cm，这说明由隧道仰拱置换施工诱发的管道周围土体变形符合就近原则，即距离施工卸荷位置越近，沉降变形越大。同时，各计算点沉降随仰拱置换距离的增大也呈先初始快速增长而后逐渐趋稳的变化特征，初始快速增长阶段对应的换拱距离不大于5m，小于隧道宽度。

3.2.2 隧道结构变形特征分析

按照0.5m 进尺进行隧底仰拱置换施工过程中，未破拆的隧道上部初支部分及已新置换部分必然会受到换拱施工的影响，其沉降变化如图2所示。

图2 隧道结构沉降变化规律

由图2（a）可见，不同断面处隧道拱顶的沉降随仰拱置换距离的增大基本呈两阶段变化特征，起始位置、15m 处、49m 处拱顶沉降初始快速增长段对应的仰拱置换距离分别为40m、22m、28m，没有表现出一致性。同时，距离隧底仰拱置换起始位置越近，隧道拱顶沉降越大，例如，换拱距离为49m 时，起始位置、15m 处、49m 处的隧道拱顶沉降分别为6.1cm、4.9cm、3.4cm，这实际上已经超出了隧道拱顶初支结构的承受能力。由图2（b）可见，隧底新置换部分的沉降随着换拱距离的增大也近似呈两阶段变化，其初始快速增长阶段对应的仰拱置换距离均约为6m，小于隧道宽度，并且换拱过程中新置换底部仰拱沉降显著小于隧道拱顶沉降，如完成49m 换拱时起始位置处新置换隧底沉降仅为1.4mm。这是因为施工过程中，每段围岩荷载全部由拱顶承受，而原隧道拱顶仅完成初期支护衬砌的250mm 厚网喷C25 早强混凝土，防护能力较弱。因此，施工过程中应增加临时竖向支撑，以减小未破拆部分隧道拱顶沉降。

3.2.3 管道、堵头墙及注浆管棚受力与变形分析

本项目隧底仰拱置换逐渐循环逼近雨水管道，相当于管道侧向远场不断地开挖卸荷，对管道、封堵管道的墙体，支撑管道的管棚都将产生影响，数值计算结果如图3～图5 所示。

图3 管道结构受力与变形规律

图4 管道侧堵头墙沉降响应规律

图5 管道底管棚受力与变形云图

由图3（a）可见，在管道与隧道正交断面，管道顶、侧、底的沉降随着隧底仰拱置换距离的增大先快速增长而后趋于稳定，曲线变化拐点对应的仰拱置换距离约为10m。同时，完成49m 仰拱置换时管道顶、侧、底的沉降值分别为9.4mm、9.1mm、9.1mm，差别很小，这是因为2.4m 直径钢筋混凝土雨水管道自身较大的刚度减少了结构差异变形。由图3（b）可见，完成49m 仰拱置换时管道顶、侧、底的最大弯矩分别为153.55MNm、-55.93MNm、272.03MNm，这说明管道顶底在隧道仰拱置换施工期间成受拉状态，而侧面处于受压状态，受力差异程度较大，对管道结构安全不利，应对管道进行内衬加固，以防止管道开裂。

由图4 可见，在管道侧堵头墙顶、底沉降随着换拱距离的增大也近似呈两阶段变化特征，初始快速增长段对应的换拱距离约为25m，完成49m 换拱时，堵头墙顶、底的沉降仅为3.3mm、3.4mm，与图2～图3 对比可知，明显小于管道和隧道拱顶沉降，这从侧面说明堵头墙在隧底仰拱置换施工过程中能对管道起到安全防护作用。

由图5（a）可见，隧道完成49m 底部仰拱置换时，在管道底部设置的5m 长注浆管棚承受的最大荷载为-41.76kN，最小荷载为-9.91kN，显然，在临近管道一侧换拱开挖卸荷，造成了注浆管棚受压，并且管道正下方承受的压力最大。由图5（b）可见，完成49m 隧底仰拱置换时，注浆管棚近管道侧的沉降为9.3mm，而远离管道和隧道一侧的沉降却达到3.2cm，这与注浆管棚的受力状况是相反的，是因为刚度很大的管道结构的“棚户”减少了其下部注浆管棚的沉降，但远侧则没有管道支撑作用，管棚的沉降就会因直接承受土体的作用而变得很大，因此，设计注浆管棚长度，应该考虑管道尺寸大小，不宜过长。

4 现场监测及结果分析

4.1 现场监测方案

在数值模拟论证隧底仰拱置换方案的基础上，根据GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，施工时对雨水管道附近地表及初支隧道拱顶沉降进行了实时监测，以便根据变化规律采取进一步应急安全措施。现场监测点布置如图6 所示。

图6 现场监测点布置示意图

4.2 现场监测结果分析

由图7（a）可见，隧底仰拱置换过程中，在施工方向，距离管道中心3m 处的地表沉降在-2～5mm 之间变化，随着距离隧道中心距离的增大，地表沉降的变化幅度越小，这说明整个隧底仰拱置换过程对管道周围土体扰动非常小。由图7（b）可见，在隧底仰拱置换施工方向一侧的点B 显著大于相反方向点A 的地表沉降，这说明距离隧底仰拱置换位置越近，土体受到施工扰动的变形越大，这与数值分析结论是一致的。与图1 对比可见，现场监测得到的地表沉降远小于数值计算结果，这主要是因为数值模拟采取的土体本构模型近似处理造成的，但也进一步说明了本工程按照0.5m 进尺进行换拱施工对隧道与雨水管道附近的围岩扰动非常小，在现有地铁区间浅埋隧道暗挖诱发的地表沉降控制标准范围内[11]。

图7 隧底仰拱置换过程中地表沉降变化特征

如图8 所示，隧底仰拱置换过程中，在施工方向，距离管道中心分别为3m 和20m 的原初支隧道拱顶上点B 和点C，前者的沉降明显小于后者，点C 的沉降在-4～0mm 之间变化，这是因为在施工方向隧底仰拱置换由远及近最先到达点C，对该处原初支隧道拱顶结构扰动影响就较大。与图2 对比可见，隧底仰拱置换过程中现场监测得到的隧道拱顶沉降明显小于数值计算结果，其变化速率相对稳定，说明本工程按照0.5m进尺进行隧底仰拱破拆、置换施工对原初支隧道结构扰动很小。

图8 隧底仰拱置换过程中拱顶沉降变化特征

5 结论

本文采用数值模拟和现场监测的方法，深入研究了黄土中长距离隧底仰拱置换对临近管道的影响，主要结论如下。

1）采用0.5m 进尺进行长距离隧底仰拱置换施工诱发的地表沉降呈先初始快速增大而后趋于平稳的两阶段变化特征，初始阶段对应的换拱距离不大于隧道宽度，地表累积沉降在安全控制标准之内。

2）隧底仰拱置换施工对原初支隧道拱顶的影响远大于底部新置换仰拱，在施工中应设置临时竖向支撑，以有效防控安全隐患。

3）采用0.5m 进尺进行长距离隧底仰拱置换施工诱发的临近管道结构沉降非常小。管道侧堵头墙、管道底管棚及管道结构刚度均减小了隧底仰拱置换对临近管道的扰动影响，但需要对管道内部实施加固，以减小长期暴露的安全隐患。